一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法技术

一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测方法，本发明专利技术涉及一种新材料设计领域的技术，具体是非连续增强金属基复合材料中增强体形状、含量、尺寸、取向的设计、复合材料结构建模及其变形行为、损伤行为和力学性能的预测方法。其操作流程包括：基于颗粒、短棒、晶须状增强体随机分布状态，构建非连续增强复合材料的三维几何模型；对三维模型进行网格划分；通过公式计算来修正金属基体和增强体的强度；将各组分的力学性能赋予模型；对模型施加边界条件及载荷；通过仿真技术计算复合材料的力学性能。该方法具有操作简便、适用复合材料体系广、精度高等特点。

A METHOD FOR MECHANICAL PROPERTIES DESIGN AND PREDICTION OF DISCONTINUOUS REINFORCED METAL MATRIX COMPOSITES

A method for mechanical properties design and prediction of discontinuous reinforced metal matrix composites is described. The present invention relates to a technology in the field of material design, in particular to the design of shape, content, size and orientation of reinforcements in discontinuous reinforced metal matrix composites, the modeling of composite structures, and the prediction methods of their deformation behavior, damage behavior and mechanical properties. Its operation process includes: building a three-dimensional geometric model of discontinuous reinforced composites based on random distribution of particles, short rods and whiskers; meshing the three-dimensional model; modifying the strength of metal matrix and reinforcement through formula calculation; endowing the mechanical properties of each component with the model; imposing boundary conditions and loads on the model; and calculating by simulation technology. Mechanical properties of composites. The method has the advantages of simple operation, wide application of composite material system and high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法
本专利技术涉及一种新材料设计领域的技术，具体是一种基于增强体形状、含量、尺寸、取向的非连续增强金属基复合材料结构生成及其力学性能、变形行为、损伤行为的预测方法。
技术介绍
近些年，随着工程上对结构材料要求的提高，具有良好综合性能的金属基复合材料已成为国际上研究热点之一。非连续增强金属基复合材料是由增强体与金属基体复合而成，其中增强体的形状、含量、尺寸和取向设计及其与力学性能的相关性，是研发高性能金属基复合材料的关键。由于非连续增强金属基复合材料的变形过程中，塑性变形首先发生于增强体周围的应力集中区，导致基体发生不均匀的塑性变形。因此外加应力小于基体合金的屈服强度时，复合材料的应力～应变曲线就偏离线弹性区，这将给复合材料的屈服强度的预测增加难度。此外，增强体的类型、形状、含量、尺寸和取向分布状态等因素，也会影响复合材料的变形及损伤行为。因此传统金属与合金的设计方法已经不适用于非连续增强金属基复合材料的设计与性能预测。近几年有限元数值仿真技术越来越多地应用于复合材料研究中，可以较准确地预测复合材料增强体特征与力学性能的关系，已经成为了一种复合材料组分设计的重要方法。开发一种可广泛适用于构建多种微观结构的复合材料有限元建模技术，将极大地推动复合材料优化设计，满足高性能复合材料设计研发的需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有三维复合材料建模技术上的不足，提出一种非连续增强复合材料模型构建成及其力学性能、变形行为及损伤过程的预测方法。本专利技术充分考虑增强体的形状、含量、尺寸、取向、分布等结构特征，生成三维代表性体积单元模型。对生成的三维代表性体积单元模型施加拉伸边界条件及载荷，通过有限元模拟仿真技术，预测复合材料的力学性能、变形行为及损伤行为。所采取的技术方案为：一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法，所述方法包括：步骤一、选取增强体类型、尺寸及体积分数；所述增强体类型包括：颗粒、短棒和晶须；其中，颗粒可以选择为球形、六面体、二十面体或二十六面体，增强体的尺寸为颗粒直径；短棒、晶须为二十六面体，增强体的尺寸为短棒、晶须的端面直径和长径比。本专利技术支持多种尺寸、多种形状的增强体混合使用。步骤二、基于增强体的分布状态构建复合材料的三维代表性体积单元模型；其中，颗粒、短棒和晶须的分布状态分别为：颗粒为随机分布；短棒和晶须为完全随机分布和定向分布；步骤三、对复合材料的三维模型进行网格划分；步骤四、通过模型计算来修正金属基体和增强体的强度，获得修正后的材料属性；将修正后的材料属性赋予复合材料有限元模型；其中，金属基体强度采用Taylor等效塑性应变模型进行强度修正；增强体的断裂强度采用Griffith断裂模型进行修正；步骤五、为有限元模型施加边界条件，选取固定的O点(0，0，0)和加载点RF(100，100，100)，对面x＝0上的所有节点约束施加约束使之与O点具有相同的x坐标，即节点始终保持在x＝0平面上；面y＝0上的所有节点始终在y＝0平面上；面z＝0上的所有节点始终在z＝0平面上；对面x＝100上的所有节点约束施加约束使之与RF点具有相同的x坐标；面y＝100上的所有节点与RF点具有相同的y坐标；面z＝100上的所有节点与RF点具有相同的z坐标；对加载点RF施加x方向的位移载荷，最大载荷为4～8；即4～8％的应变量，载荷的应变速率为4×10-4s-1；步骤六：对复合材料的拉伸试验过程进行数值仿真，获得复合材料在室温下的应力应变曲线并确定材料的变形、断裂行为。进一步地，步骤一中所述颗粒的形状为球体或多面体，并且增强体的体积分数为0％～30％；其中，所述多面体包括六面体、二十面体和二十六面体；进一步地，步骤一中采用颗粒直径表示颗粒尺寸；采用短棒、晶须的端面直径和长径比表示短棒、晶须尺寸。进一步地，步骤二所述随机分布的具体建模过程包括：第一步、计算单个增强体的体积：其中，颗粒的体积采用球体体积公式计算单个增强体的体积，短棒、晶须的体积采用圆柱体体积公式计算单个增强体的体积；若增强体形状为多面体，则对多面体进行等比例缩放使其体积等于Vparticle/Vwhisker，其中，Vparticle和Vwhisker分别表示为球体体积和圆柱体体积；第二步、随机旋转所述增强体，分别绕Y轴Z轴旋转，旋转角度分别为θrotate和旋转操作由旋转矩阵计算表示：第三步、将增强体移动到随机位置(xrandom,yrandom,zrandom)；第四步、进行两个增强体的碰撞检测，避免增强体相交；第五步、检测增强体的总体积是否达到体积分数，若满足则建模过程结束，否则再次添加增强体。进一步地，第一步中：所述球体体积公式为：其中，dparticle表示颗粒的直径；短棒、晶须的体积采用圆柱体体积公式计算单个增强体的体积，所述圆柱体体积公式包括：其中，dsection表示短棒、晶须的截面直径；a表示短棒、晶须的长度；进一步地，第四步所述两个增强体的碰撞检测的碰撞条件为：若两个增强体均为球体，则碰撞检测需满足以下条件：dparticle2>＝(x1-x2)2+(y1-y2)2+(z1-z2)2若两个增强体为球体和多面体，则多面体的顶点不可在球体内，碰撞检测需满足以下条件：其中，xvex，yvex和zvex表示多面体的顶点坐标；xsphere，ysphere和zsphere表示球体的球心坐标；若两个增强体均为多面体，则其中一个多面体的顶点不可在另一个多面体内；为方便判断顶点与多面体的关系，将多面体被划分为若干4面体，若顶点不在所有四面体内则定点不在多面体内；顶点(点O)是否在4面体(体ABCD)内需以下判据：若D0、D1、D2、D3、D4同正或同负则顶点在四面体内，否则点在四面体外。进一步地，步骤二所述定向分布的具体建模过程包括：第1步、计算单个增强体的体积：颗粒的体积采用球体体积公式计算单个增强体的体积，所述球体体积公式包括：其中，dparticle表示颗粒的直径；短棒、晶须的体积采用圆柱体体积公式计算单个增强体的体积，所述圆柱体体积公式包括：其中，dsection表示短棒、晶须的直径；a表示短棒、晶须的长度；若增强体形状为多面体，则对多面体进行等比例缩放使其体积等于Vparticle/Vwhisker；第2步、随机旋转所述增强体，其中，所述短棒、晶须平行于向量则定向旋转矩阵具体为：其中，θ为为晶须沿Y轴旋转的角度；第3步、将增强体移动到随机位置(xrandom,yrandom,zrandom)；第4步、进行两个增强体的碰撞检测，避免增强体相交；第5步、检测增强体的总体积是否达到体积分数，若满足则建模过程结束，否则再次添加增强体。进一步地，步骤二中所述三维代表性体积单元模型的总尺寸为100×100×100μm。进一步地，步骤三中所述对复合材料的三维模型进行网格划分的过程为：采用有限元软件组装增强体；基体为一个实体，然后对所述实体进行三维网格的划分三维；网格类型为4节点4面体网格，划分的网格总数为800000～850000个。进一步地，步骤四中：所述Taylor等效塑性应变模型表示为：其中，σ表示为基体的流变应力；σm为基体强度，αm为基体热膨胀系数，b为柏氏矢量，d为增强体尺寸，c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一、选取增强体类型、尺寸及体积分数；所述增强体类型包括：颗粒、短棒和晶须；步骤二、基于增强体的分布状态构建复合材料的三维代表性体积单元模型；其中，颗粒、短棒和晶须的分布状态分别为：颗粒为随机分布；短棒和晶须为完全随机分布和定向分布；步骤三、对复合材料的三维模型进行网格划分；步骤四、通过模型计算来修正金属基体和增强体的强度，获得修正后的材料属性；将修正后的材料属性赋予复合材料有限元模型；其中，金属基体强度采用Taylor等效塑性应变模型进行强度修正；增强体的断裂强度采用Griffith断裂模型进行修正；步骤五、为有限元模型施加边界条件，选取固定的O点(0，0，0)和加载点RF(100，100，100)，对面x＝0上的所有节点约束施加约束使之与O点具有相同的x坐标，即节点始终保持在x＝0平面上；面y＝0上的所有节点始终在y＝0平面上；面z＝0上的所有节点始终在z＝0平面上；对面x＝100上的所有节点约束施加约束使之与RF点具有相同的x坐标；面y＝100上的所有节点与RF点具有相同的y坐标；面z＝100上的所有节点与RF点具有相同的z坐标；对加载点RF施加x方向的位移载荷，最大载荷为4～8；即4～8％的应变量，载荷的应变速率为4×10...

【技术特征摘要】
1.一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一、选取增强体类型、尺寸及体积分数；所述增强体类型包括：颗粒、短棒和晶须；步骤二、基于增强体的分布状态构建复合材料的三维代表性体积单元模型；其中，颗粒、短棒和晶须的分布状态分别为：颗粒为随机分布；短棒和晶须为完全随机分布和定向分布；步骤三、对复合材料的三维模型进行网格划分；步骤四、通过模型计算来修正金属基体和增强体的强度，获得修正后的材料属性；将修正后的材料属性赋予复合材料有限元模型；其中，金属基体强度采用Taylor等效塑性应变模型进行强度修正；增强体的断裂强度采用Griffith断裂模型进行修正；步骤五、为有限元模型施加边界条件，选取固定的O点(0，0，0)和加载点RF(100，100，100)，对面x＝0上的所有节点约束施加约束使之与O点具有相同的x坐标，即节点始终保持在x＝0平面上；面y＝0上的所有节点始终在y＝0平面上；面z＝0上的所有节点始终在z＝0平面上；对面x＝100上的所有节点约束施加约束使之与RF点具有相同的x坐标；面y＝100上的所有节点与RF点具有相同的y坐标；面z＝100上的所有节点与RF点具有相同的z坐标；对加载点RF施加x方向的位移载荷，最大载荷为4～8；即4～8％的应变量，载荷的应变速率为4×10-4s-1；步骤六：对复合材料的拉伸试验过程进行数值仿真，获得复合材料在室温下的应力应变曲线并确定材料的变形、断裂行为。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤一中所述颗粒的形状为球体或多面体，并且增强体的体积分数为0％～30％；其中，所述多面体包括六面体、二十面体和二十六面体。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤一中采用颗粒直径表示颗粒尺寸；采用短棒、晶须的端面直径和长径比表示短棒、晶须尺寸。4.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，步骤二所述随机分布的具体建模过程包括：第一步、计算单个增强体的体积：其中，颗粒的体积采用球体体积公式计算单个增强体的体积，短棒、晶须的体积采用圆柱体体积公式计算单个增强体的体积；若增强体形状为多面体，则对多面体进行等比例缩放使其体积等于Vparticle/Vwhisker，其中，Vparticle和Vwhisker分别表示为球体体积和圆柱体体积；第二步、随机旋转所述增强体，分别绕Y轴Z轴旋转，旋转角度分别为θrotate和旋转操作由旋转矩阵计算表示：第三步、将增强体移动到随机位置(xrandom,yrandom,zrandom)；第四步、进行两个增强体的碰撞检测，避免增强体相交；第五步、检测增强体的总体积是否达到体积分数，若满足则建模过程结束，否则再次添加增强体。5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，第一步中：所述球体体积公式为：其中，dparticle表示颗粒的直径；短棒、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学习，高翔，姜水清，高莹，曾磊，韩修柱，耿林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23