一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法技术

一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法，属于计算材料学、模拟仿真、高通量计算等多学科交叉领域。通过纳观尺度的第一性原理计算、微观尺度的分子动力学模拟、介观尺度的热力学计算可以获得宏观尺度的有限元模拟所需的各种物性参数，包括复合材料中各个相在不同温度、不同晶粒尺寸下的弹塑性物理参数等。利用聚焦离子束实验和图像处理引入获得真实的材料组织结构。通过各个尺度计算结果之间的参数耦合与参数传递，结合材料的组织结构，可以模拟多相复合材料在复杂应力和不同温度下的应力应变关系、应力分布及其演变、塑性变形等力学行为。

A Multiscale Simulation Method for Mechanical Behavior of Multiphase Composites

【技术实现步骤摘要】
一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法
本专利技术属于计算材料学、模拟仿真、高通量计算等多学科交叉领域，具体涉及基于材料真实组织结构的适用于描述多相复合材料力学行为的计算机模拟分析方法。
技术介绍
在“材料基因组计划(MGI)”的革命性思维的引领下，材料计算在指导新材料设计研发中的作用越来越重要，可为新材料设计开发提供准确的指导，有效改变传统材料设计开发的“试错”过程，大大提升新材料的研发效率，从而有效推动高性能新材料开发及相关先进制造业的快速发展。目前常用的材料计算模拟方法包括纳观、微观尺度的第一性原理计算和分子动力学模拟等方法，可以对材料成分和结构进行筛选设计；宏观的有限元模拟等方法能够对材料的服役行为和使用性能进行计算分析。然而，目前国内外公认的普遍问题是，不同尺度下计算模拟方法所用的计算模型、典型算法、输入输出数据和参数各不相同，虽然各个尺度下的计算可能有丰富的方法和工具，但是严重缺乏跨尺度、多尺度的计算模型和模拟方法；不同尺度的计算方法之间很难进行数据传输、无法实现同一类参量在不同尺度之间数据的融合贯通。因此，当前迫切需要开发材料成分-组织-工艺-性能之间内禀关联的多尺度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法，其特征在于，包含以下技术方案和步骤：(1)纳观尺度的第一性原理计算纳观尺度的第一性原理计算可以分别获得多相复合材料中单独的金属相和陶瓷相在0K下的弹性性质以及不同体积的晶体结构对应的能量，计算方案如下：1.1对OK下的多相复合材料中的金属相和陶瓷相的杨氏模量、体弹模量、剪切模量、泊松比进行计算：首先分别对金属相和陶瓷相材料的单晶结构进行结构弛豫。利用弛豫后的晶体结构对材料的弹性矩阵C的矩阵元，即弹性常数，进行计算；

【技术特征摘要】
1.一种多相复合材料力学行为的多尺度模拟方法，其特征在于，包含以下技术方案和步骤：(1)纳观尺度的第一性原理计算纳观尺度的第一性原理计算可以分别获得多相复合材料中单独的金属相和陶瓷相在0K下的弹性性质以及不同体积的晶体结构对应的能量，计算方案如下：1.1对OK下的多相复合材料中的金属相和陶瓷相的杨氏模量、体弹模量、剪切模量、泊松比进行计算：首先分别对金属相和陶瓷相材料的单晶结构进行结构弛豫。利用弛豫后的晶体结构对材料的弹性矩阵C的矩阵元，即弹性常数，进行计算；其中σiεicij(i，j＝1，2，3，4，5，6)分别为应力、应变和单晶材料的弹性常数；进而利用Voigt-Reuss-Hill近似，将计算得到的弹性常数转化为杨氏模量、体弹模量、剪切模量和泊松比。B＝(Bv+Br)/2(2)G＝(Gv+Gr)/2(3)E＝9B·G/(3·B+G)(4)υ＝0.5·(3B-2G)/(3B+G)(5)其中B为体弹模量、G为剪切模量、E为杨氏模量、υ为泊松比；泊松比近似认为不随温度变化；体弹模量、剪切模量、杨氏模量会随温度变化而变化，随温度变化规律的计算方法将在步骤(2)中详述；式(2)(3)中下角标v和r分别代表Voigt近似和Reuss近似计算方法；Bv＝(c11+c22+c33)/9+2(c12+c23+c13)/9(6)Gv＝(c11+c22+c33-c12-c13-c23)/15+(c44+c55+c66)/5(7)Br＝1/(s11+s22+s33+2s12+2s13+2s23)(8)Gr＝15/(4s11+4s22+4s33-4s12-4s13-4s23+3s44+3s55+3s66)(9)其中sij(i，j＝1，2，3，4，5，6)为材料的柔度矩阵S的矩阵元，即柔度系数；柔度矩阵S与弹性矩阵C互为逆矩阵；1.2对0K下的多相复合材料中的金属相和陶瓷相的晶体体积-能量关系分别进行计算：将步骤1.1中弛豫后的金属相和陶瓷相的晶体结构的晶胞体积分别进行-10％至+10％范围内的收缩或者膨胀，计算对应不同晶胞体积的能量；(2)介观尺度的热力学计算介观尺度的热力学计算，基于准谐德拜模型，可以分别获得多相复合材料中的金属相和陶瓷相在不同温度下的弹性性质和热膨胀系数，计算方案如下：2.1对不同温度下的多相复合材料中的金属相和陶瓷相的杨氏模量分别进行计算非平衡态Gibbs自由能可描述为：G*＝E(V)+pV+Avib(θ，T)(10)其中E(V)表示步骤1.2中计算得到的晶胞总能量，p和V分别为外部压强和晶胞体积，T为温度，Avib为振动Helmholtz自由能，θ为德拜温度；振动Helmholtz自由能Avib可表示为：其中D(θ/T)为德拜积分，n为每个晶胞的原子数，kB为玻尔兹曼常数，德拜温度可表示为：其中M为晶胞质量，υ为泊松比，为约化普朗克常数，f(υ)为泊松比函数Bs为绝热体弹模量，可使用步骤1.2中获得的体积-能量关系数据获得，其计算方法如下：对于某一给定的(p，T)，非平衡Gibbs自由能对体积求极小值，即：由式(14)可获得体系热力学状态，即获得体系的普适状态方程，明确体系的p、T、V三者的关系；进一步的，某一温度的体弹模量可表示为：通过该步计算可将温度效应引入体弹模量，计算特定温度下的体弹模量BT；通过公式(16)ET＝3BT(1-υ)(16)可以获得不同温度下的杨氏模量；利用公式(16)计算得到的0K下的杨氏模量ET，0与步骤1.1计算得到的0K下的杨氏模量E存在差值ΔE＝ET，0-E；此差值作为利用公式(16)计算得到的其他任意温度的杨氏模量的零点修正项，以此计算任意温度的杨氏模量E(T)＝ET-ΔE；进而利用公式计算特定温度下的剪切模量G(T)；2.2对不同温度下的多相复合材料中的金属相和陶瓷相的热膨胀系数分别进行计算从另一方面，恒压热容Cv和Gru...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晓艳，吕皓，李亚楠，唐法威，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11