基于随机顺序生长法复合材料三维微观体胞模型创建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于随机顺序生长法复合材料三维微观体胞模型创建方法，该方法随机向基体区域添加纤维，纤维的长度从零开始生长，直到与已存在的纤维相交或达到最大的预设长度。与传统的随机顺序吸附法相比，成功添加一根纤维只需进行数次纤维相交判断，因此本方法能够简单、高效地创建具有较高纤维体积分数(～25%)的随机分布短纤维增强复合材料三维微观周期性体胞模型。本方法可应用于建立表征短纤维增强复合材料微观结构的三维微观周期性体胞模型，解决了现有方法创建微观周期性体胞模型中纤维体积分数低、执行效率低的问题，能节省较多的计算资源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于随机顺序生长法的短纤维增强复合材料三维微观周期性体 胞模型的创建方法，尤其是具有较高纤维体积分数的随机分布短纤维增强复合材料三维微 观周期性体胞模型的建立。
技术介绍
短纤维增强复合材料具有低密度、优良的力学性能（高比强度、比刚度等）、低热 膨胀系数和高阻尼性能等特点，在汽车、航空、航天和国防工业等领域具有广阔的应用前 景。因此，对短纤维增强复合材料力学性能的预测具有重要意义，可以在一定程度上减少试 验次数、节约成本、缩短研发周期。 鉴于短纤维增强复合材料具有多相组分，内部微观结构复杂，尺度横跨微观、细观 和宏观，很难采用传统分析模型对其力学性能进行研宄，因此数值模拟被广泛采用，尤其是 在随机分布短纤维增强复合材料力学性能的研宄中。在数值模拟过程中，短纤维复合材料 的力学行为通过代表性体积单元进行表征，因此创建一个能够准确描述短纤维复合材料微 观结构的代表性体积单元具有非常重要的意义。目前，可用于建立短纤维增强复合材料代 表性体积单元的方法主要有两类：蒙特卡罗法和随机顺序吸附法。 随机顺序吸附法是通过随机生成纤维的起点、取向向量和长度来顺序地向指定区 域中添加短纤维，要求新添加的纤维不能与区域中已经存在的纤维相交；蒙特卡罗方法建 立短纤维增强复合材料的代表性体积单元包含两个基本步骤：第一步是在基体区域中人为 地给定所有纤维起点、取向向量和长度，然后通过平移和旋转纤维，直至纤维位置和取向达 到预期效果；第二步是逐渐改变基体区域的大小，从而使得代表性体积单元中纤维体积分 数达到预期要求。蒙特卡罗法和随机顺序吸附法创建复合材料微观周期性体胞模型的原理 相似，因此，他们也具有相同的缺点：创建的三维微观周期性体胞模型中纤维体积分数较 低。 对于随机顺序吸附法，当纤维长径比固定且多10时，创建的复合材料三维微观周 期性体胞模型中纤维体积分数一般小于21%。当纤维长径多10时，为创建较大纤维体积分 数的复合材料三维微观周期性体胞模型，向基体中加入具有不同长径比的纤维，且先添加 长径比较大的纤维，然后添加长径比较小的纤维。但是由于每添加一个纤维，需要判断这个 纤维是否与已存在的纤维相交，因此当复合材料三维微观周期性体胞模型中纤维体积分数 较高时，每成功添加一个纤维需要多次的纤维相交判断，耗费大量计算时间，所以已有的随 机顺序吸附法的执行效率很低，不适合用来创建高体积分数的随机分布短纤维增强复合材 料的三维微观周期性体胞模型。因此，有必要提出一种新方法来高效地创建具有较高体积 分数的随机分布短纤维增强复合材料的三维微观周期性体胞模型。
技术实现思路
要解决的技术问题 为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于随机顺序生长法复合材料三 维微观体胞模型创建方法，该方法能够简单、高效地创建具有较高纤维体积分数（~25% ) 的随机分布短纤维增强复合材料三维微观周期性体胞模型。 技术方案 -种，其特征在于步骤 如下： 步骤1 :创建其三维微观周期性体胞模型的基体，尺寸为I1XL2XL3、中心点的坐 标为：【主权项】1. 一种，其特征在于步骤如 下： 步骤1 :创建其三维微观周期性体胞模型的基体，尺寸为I1XL2XL3、中心点的坐标 为：(Hj)，其中心L2, L3分别为基体立方体的边长； 步骤2 :在基体L1XL2XL3范围内，以任意一点作为新添加纤维的起点P E，以过起点Pe 的任意单位向量为新添加纤维的单位取向向量n，根据测定的复合材料中纤维长度Lf，得 到新添加纤维轴线上任意点的坐标为：PU) =Pe+ILfn，其中：ξ为纤维正则长度因子， ξ e ； 步骤3 :根据折半步长生长法或等步长生长法，新添加纤维的长度ξ Lf从零ξ = 0开 始生长直到与已存在的纤维相交或达到预设的纤维长度，最后得到纤维的长度为ξ finalLf， ξ final为新添加纤维正则长度因子；然后判断新生成的纤维是否与基体中已经存在的纤维 接触或者相交，若发生相交现象，则删除新生成的纤维，返回到步骤2。 所述折半步长生长法为：初始纤维生长的长度设定为Lf/2, ξ s= 0. 5,当纤维生长一次 后，若不相交，则纤维的生长长度不变，则ξ s，纤维继续生长；若发生相交，则删除上 一步纤维生长的长度，重新设定纤维的生长长度为上一步生长长度的一半，即ξ 3/2 - ξ3， 纤维继续生长；当纤维的长度Lcmrent达到预设的长度Lf或者纤维的生长长度L · ξ s小于预 设的下限时ξ t"，纤维生长结束，此时的纤维长度即为添加到基体区域的最终纤维长 度^ finalLf; 所述等步长生长法为：初始纤维生长的长度设定为Lf/n，ξ s= 1/n ;若不相交，则纤维 的生长长度不变，即ξ s，纤维继续生长；若发生相交，则删除上一步纤维生长的长度， 纤维生长结束，此时的纤维长度即为添加到基体区域的最终纤维长度；其中η的取值原则 为：当复合材料纤维体积分数大于15%时，η大于10 ;当复合材料纤维体积分数小于等于 15%时，η小于等于10 ; 步骤4 :当新生成纤维F超出三维微观周期性体胞模型的基体L1XL2XL^，复制纤维 并沿超出的反方向平移到基体中相对应的位置，使得新生成纤维F不超出基体L1XL2XL 3; 具体过程为：采用纤维轴线来表述纤维，则新添加的纤维参数化为： P (X) = Pe+ ξ Lfn 其中，匕为纤维的起点，ξ为长度正则参数，Lf为纤维长度，而η为单位纤维取向向量。 当ξ = 1时，P(X)表示纤维的端点；当纤维的端点超出基体边界时，分三类情况进行平移： 情况1 :纤维端点Ps有且只有一个坐标X i (i = 1，2or3)超出基体边界：当i = 1时，纤 维端点？；3在X方向超出： Xi> L「r/^or X1S r/2 r/2 < x2 < L 2_r/2 r/2 < x3< L 3~r/2 则复制纤维一次，然后将复制的纤维平移至相应位置，则平移后的纤维Pn (Xi)为 Pn(X1) = P(X1)- κ 山1 Pn (x2)当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于随机顺序生长法复合材料三维微观体胞模型创建方法，其特征在于步骤如下：步骤1：创建其三维微观周期性体胞模型的基体，尺寸为：L1×L2×L3、中心点的坐标为：其中：L1,L2,L3分别为基体立方体的边长；步骤2：在基体L1×L2×L3范围内，以任意一点作为新添加纤维的起点PE，以过起点PE的任意单位向量为新添加纤维的单位取向向量n，根据测定的复合材料中纤维长度Lf，得到新添加纤维轴线上任意点的坐标为：P(x)＝PE+ξLfn，其中：ξ为纤维正则长度因子，ξ∈[0,1]；步骤3：根据折半步长生长法或等步长生长法，新添加纤维的长度ξLf从零ξ＝0开始生长直到与已存在的纤维相交或达到预设的纤维长度，最后得到纤维的长度为ξfinalLf，ξfinal为新添加纤维正则长度因子；然后判断新生成的纤维是否与基体中已经存在的纤维接触或者相交，若发生相交现象，则删除新生成的纤维，返回到步骤2。所述折半步长生长法为：初始纤维生长的长度设定为Lf/2，ξs＝0.5，当纤维生长一次后，若不相交，则纤维的生长长度不变，则ξs→ξs，纤维继续生长；若发生相交，则删除上一步纤维生长的长度，重新设定纤维的生长长度为上一步生长长度的一半，即ξs/2→ξs，纤维继续生长；当纤维的长度Lcurrent达到预设的长度Lf或者纤维的生长长度L·ξs小于预设的下限时ξs≤ξtor，纤维生长结束，此时的纤维长度即为添加到基体区域的最终纤维长度ξfinalLf；所述等步长生长法为：初始纤维生长的长度设定为Lf/n，ξs＝1/n；若不相交，则纤维的生长长度不变，即ξs→ξs，纤维继续生长；若发生相交，则删除上一步纤维生长的长度，纤维生长结束，此时的纤维长度即为添加到基体区域的最终纤维长度；其中n的取值原则为：当复合材料纤维体积分数大于15％时，n大于10；当复合材料纤维体积分数小于等于15％时，n小于等于10；步骤4：当新生成纤维F超出三维微观周期性体胞模型的基体L1×L2×L3时，复制纤维并沿超出的反方向平移到基体中相对应的位置，使得新生成纤维F不超出基体L1×L2×L3；具体过程为：采用纤维轴线来表述纤维，则新添加的纤维参数化为：P(x)＝PE+ξLfn其中，PE为纤维的起点，ξ为长度正则参数，Lf为纤维长度，而n为单位纤维取向向量。当ξ＝1时，P(x)表示纤维的端点；当纤维的端点超出基体边界时，分三类情况进行平移：情况1：纤维端点Ps有且只有一个坐标xi(i＝1,2or3)超出基体边界：当i＝1时，纤维端点Ps在x方向超出：x1＞L1‑r/2or x1＜r/2r/2＜x2＜L2‑r/2r/2＜x3＜L3‑r/2则复制纤维一次，然后将复制的纤维平移至相应位置，则平移后的纤维PN(xi)为PN(x1)＝P(x1)‑κ1L1PN(x2)＝P(x2)PN(x3)＝P(x3)其中，如果x1＞L1‑r/2，则κ1＝1；否则，κ1＝‑1；同理，当i＝2时，纤维端点Ps在y方向超出，当i＝3时，纤维端点Ps在z方向超出，按照上述过程进行纤维复制及其平移；情况2：纤维端点Ps有二个坐标xi(i＝1,2or3)超出基体边界：当i＝1,2时，纤维端点Ps在x和y方向超出x1＞L1‑r/2or x1＜r/2x2＞L2‑r/2or x2＜r/2r/2＜x3＜L3‑r/2按照情况1的方法在x和y方向进行纤维复制及其平移，第三次平移操作如下；平移后的纤维PN(xi)为PN(x1)＝P(x1)‑κ1L1PN(x2)＝P(x2)‑κ2L2.PN(x3)＝P(x3)如果xi＞Li‑r/2，则κi＝1；否则，κi＝‑1；同理，当i＝1,3时，纤维端点Ps在x和z方向超出，按照情况1的方法在x和z方向进行纤维复制及其平移，第三次平移操作按照本情况的上述方法进行；当i＝2,3时，纤维端点Ps在y和z方向超出，按照情况1的方法在y和z方向进行纤维复制及其平移，第三次平移操作按照本情况的上述方法进行；情况3：纤维端点Ps的三个坐标xi(i＝1,2or3)都超出基体边界：x1＞L1‑r/2or x1＜r/2x2＞L2‑r/2or x2＜r/2x3＞L3‑r/2or x3＜r/2复制纤维七次，然后将复制的纤维平移至相应的位置，其中：三次平移操作与情况1相同、三次平移操作与情况2相同，第七次平移操作如下：平移后的纤维PN(xi)为PN(x1)＝P(x1)‑κ1L1PN(x2)＝P(x2)‑κ2L2PN(x3)＝P(x3)‑κ3L3如果xi＞Li‑r/2，则κi＝1；否则，κi＝‑1，其中i＝1,2and 3；步骤5：统计短纤维增强复合材料微观周期性体胞模型中纤维体积分数，如果达到复合材料的预设值，则切除纤维所有超出基体边界的部分，结束创建程序；否则，返回到步骤2，进入下一个循环。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：齐乐华，田文龙，周计明，卫新亮，鞠录岩，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61