基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法技术

技术编号:22330482 阅读:44 留言:0更新日期:2019-10-19 12:20
本发明专利技术属于复合材料建模与力学计算技术领域,具体涉及基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法。本发明专利技术基于结构网格,由给定的独立的几个细观几何参数,区分像素单元所属材料类别,从而实现陶瓷基复合材料细观建模。采用均匀化理论,依据六组不同周期性边界条件下的应力应变关系,获得柔度矩阵,最终实现弹性参数计算。本发明专利技术参数化地实现陶瓷基复合材料细观几何模型参数化建模及六面体网格自动划分,并实现力学计算。与传统方法相比,大大降低了难度,减少了对人的依赖,缩减了建模与计算的时间。

【技术实现步骤摘要】
基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法
本专利技术属于复合材料建模与力学计算
,具体涉及基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法。
技术介绍
陶瓷基复合材料作为一种先进的新型材料已经成为航空航天等特种工程技术行业中的理想备选材料。为了实现陶瓷基复合材料的结构设计及工程应用,必须要对其进行细观建模及力学计算。目前,常见的细观建模方法可以分为非结构网格法和结构网格法。基于非结构网格,孔春元等(孔春元,孙志刚,高希光,宋迎东:2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测,26,2459-2467,(2011))实现了2.5维编织陶瓷基复合材料的细观建模与刚度预测。然而,在非结构化网格中,空间拓扑关系将随着几何参数的变化而发生变化,从而极可能引起建模失败。此外,在网格划分方面,尚无法实现六面体网格的自动划分。这使得细观建模成为一件繁琐而耗时的工作。参数化建模一直是工程技术人员不断追求的目标。结构化网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元,可以很容易地实现区域的边界拟合,具有网格生成速度快,数据结构简单等优点,可以容易地实现复杂结构的参数化建模及自动网格划分。中国专利CN103871059B《纤维增强复合材料等效弹性参数的计算方法》提供了一种纤维增强复合材料等效弹性参数的计算方法,但是在进行细观建模时采用了XCT技术,而不是参数化的建模方法。即其只能对事先制备完成的材料进行细观建模与力学计算,而无法通过给定任意参数而实现材料的高通量细观建模。目前尚没有一种有效的基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足,提供一种基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法,可实现陶瓷基复合材料细观几何模型参数化建模及六面体网格自动划分,并实现力学计算。为实现上述目的,本专利技术采用以下技术方案:基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一:计算建模所需几何参数;步骤二:根据几何参数生成单胞,并划分结构网格;步骤三:区分单胞中的像素单元材料;步骤四:设置像素单元材料属性;步骤五:对单胞施加周期性边界条件并计算柔度矩阵;步骤六:根据柔度矩阵计算材料的弹性参数。为优化上述技术方案,采取的具体措施还包括:进一步地,所述步骤一具体如下:1)给定独立的几何参数,包括经纱走向波长LC、经纱走向幅值AC和经纱截面宽WC;2)计算出建模所需的所有几何参数:假设纱线截面由两条形状相同的正弦曲线组成,其形状由正弦曲线波长λc=LC和幅值Ac=AC,以及短轴间距Lc=AC决定;几何参数还包括单胞长L1=LC,单胞宽L2=2·WC,单胞高H=2·AC。进一步地,所述步骤二中,划分结构网格具体如下:分别在长、宽、高三个维度,将单胞进行N1、N2、N3等分;由此,整个单胞被划分成N1*N2*N3个像素单元,同时,在单个长、宽、高的边上,分别出现N1+1、N2+1、N3+1个节点,整个单胞将含有(N1+1)*(N2+1)*(N3+1)个节点。进一步地,所述步骤三中,采用线性规划的方法区分经纱及纬纱区域,具体如下:1)二维纱线截面中的区域划分通过比较各像素单元中心坐标与边界曲线之间的关系,判断该像素单元是否位于闭合区域内;对于经纱截面而言,二维经纱截面中的区域划分为其中(y,z)为像素单元中心坐标,f1(y)为上边界曲线函数,f2(y)为下边界曲线函数,S(y,z)为坐标的状态函数,S(y,z)=1表示给定坐标在闭合区域内,属于经纱区域,S(y,z)=0表示给定坐标在闭合区域之外,不属于经纱区域;当截面中心坐标为(y=0,z=0)时f1(y)=Lc/2f2(y)=-Lc/2对于纬纱截面而言,二维纬纱截面中的区域划分为其中(x,z)为像素单元中心坐标,f1(x)为上边界曲线函数,f2(x)为下边界曲线函数,S(x,z)为坐标的状态函数,S(x,z)=1表示给定坐标在闭合区域内,属于纬纱区域,S(x,z)=0表示给定坐标在闭合区域之外,不属于纬纱区域;当截面中心坐标为(x=0,z=0)时f1(x)=Ac·cos((2π/λc)·x)-(Ac-Lc/2)f2(x)=Ac·cos((2π/λc)·x+π)+(Ac-Lc/2)2)考虑纱线走向的纱线高度修正对于经纱走向而言,当x坐标发生变化时,即沿经纱走向位置发生变化时,经纱截面位置以正弦曲线的形式上下波动,则其中,(x,y,z)为考虑经纱走向的像素单元中心坐标,f3(x)为考虑经纱走向的正弦曲线,函数S(x,y,z)为坐标的状态函数;f3(x)=AC·(sin((2π/LC)·x+π/2)-1)对于纬纱走向而言,当x坐标发生变化时,即沿纬纱走向位置发生变化时,纬纱截面位置上下保持不变,则其中,(x,y,z)为考虑经纱走向的像素单元中心坐标,f3(y)为考虑经纱走向的正弦曲线函数;f3(y)=0。进一步地,所述步骤四中,基于像素单元所在位置信息,不同的像素单元被赋予不同的材料属性,具体如下:经纱单元被赋予经纱材料属性;纬纱单元被赋予纬纱材料属性;孔隙单元被赋予基体材料属性;经纱被视为横观各向同性材料;纬纱被视为横观各向同性材料,其材料参数等同于经纱的材料参数,区别仅在于材料主方向的不同;孔隙被视为各向同性材料。进一步地,所述步骤五具体如下:对单胞施加周期性位移边界条件:其牛是单胞的平均应变,j+和j-表示垂直于xj轴的一对边界面,u表示位移,Δx表示相对点的坐标差;给定六组不同的周期性边界条件,然后分别进行有限元分析;根据均匀化理论,定义材料的宏观应力为材料细观应力的体积平均,材料的宏观应变由周期性边界条件直接得到:其中V是单胞体积,σi是第i个像素单元的应力;计算出六组宏观应力和宏观应变,六组宏观应力和宏观应变具有如下的关系:其中上标i(i=1,…,6)表示第i组周期性边界条件下的结果,下标ij(i,j=1,…,6)表示材料的主方向,Sij(i,j=1,…,6)为柔度矩阵系数;由上式可得柔度矩阵表达式为本专利技术的有益效果是:可以由给定的独立的几个细观几何参数,参数化地实现陶瓷基复合材料细观几何模型参数化建模及六面体网格自动划分,并实现力学计算。本专利技术与传统方法相比,大大降低了难度,减少了对人的依赖,缩减了建模与计算的时间。附图说明图1是结构网格划分结果示意图。图2是二维经纱截面中的区域划分示意图。图3是二维纬纱截面中的区域划分示意图。图4是经纱走向示意图。图5是纬纱走向示意图。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。实施案例:基于结构网格的平纹编织SiC/SiC陶瓷基复合材料细观建模与刚度计算。步骤一:计算建模所需几何参数(1)给定独立的几何参数,包括经纱走向波长LC=10mm、经纱走向幅值AC=0.24mm和经纱截面宽WC=1.74mm。(2)计算出建模所需的所有几何参数假设纱线截面由两条形状相同的正弦曲线组成,其形状由正弦曲线波长λc=LC=10mm和幅值Ac=AC=0.24mm,以及短轴间距Lc=AC=1.74mm决定。除此之外,还需要的几何参数有单胞长L1=LC=10mm,单胞宽L2=2·WC=3.48mm,单胞高H=2·AC=0.48mm。步骤二:划分结构网格如图1所示,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一:计算建模所需几何参数;步骤二:根据几何参数生成单胞,并划分结构网格;步骤三:区分单胞中的像素单元材料;步骤四:设置像素单元材料属性;步骤五:对单胞施加周期性边界条件并计算柔度矩阵;步骤六:根据柔度矩阵计算材料的弹性参数。

【技术特征摘要】
1.基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤一:计算建模所需几何参数;步骤二:根据几何参数生成单胞,并划分结构网格;步骤三:区分单胞中的像素单元材料;步骤四:设置像素单元材料属性;步骤五:对单胞施加周期性边界条件并计算柔度矩阵;步骤六:根据柔度矩阵计算材料的弹性参数。2.如权利要求1所述的基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法,其特征在于:所述步骤一具体如下:1)给定独立的几何参数,包括经纱走向波长LC、经纱走向幅值AC和经纱截面宽WC;2)计算出建模所需的所有几何参数:假设纱线截面由两条形状相同的正弦曲线组成,其形状由正弦曲线波长λc=LC和幅值Ac=AC,以及短轴间距Lc=AC决定;几何参数还包括单胞长L1=LC,单胞宽L2=2·WC,单胞高H=2·AC。3.如权利要求1所述的基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法,其特征在于:所述步骤二中,划分结构网格具体如下:分别在长、宽、高三个维度,将单胞进行N1、N2、N3等分;由此,整个单胞被划分成N1*N2*N3个像素单元,同时,在单个长、宽、高的边上,分别出现N1+1、N2+1、N3+1个节点,整个单胞将含有(N1+1)*(N2+1)*(N3+1)个节点。4.如权利要求2所述的基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法,其特征在于:所述步骤三中,采用线性规划的方法区分经纱及纬纱区域,具体如下:1)二维纱线截面中的区域划分通过比较各像素单元中心坐标与边界曲线之间的关系,判断该像素单元是否位于闭合区域内;对于经纱截面而言,二维经纱截面中的区域划分为其中(y,z)为像素单元中心坐标,f1(y)为上边界曲线函数,f2(y)为下边界曲线函数,S(y,z)为坐标的状态函数,S(y,z)=1表示给定坐标在闭合区域内,属于经纱区域,S(y,z)=0表示给定坐标在闭合区域之外,不属于经纱区域;当截面中心坐标为(y=0,z=0)时f1(y)=Lc/2f2(y)=-Lc/2对于纬纱截面而言,二维纬纱截面中的区域划分为其中(x,z)为像素单元中心坐标,f1(x)为上边界曲线函数,f2(x)为下边界曲线函数,S(x,z)为坐标的状态函数,S(x,z)=1表示给定坐标在闭合区域内,属于纬纱区域,S(x,z)=0表示给定坐标在闭合区域之外,不属于纬纱区域;当截面中心坐标为(x=0,z=0)时f1(x)=Ac·cos((2π/λc)·x)-(Ac-L...

【专利技术属性】
技术研发人员:高希光董洪年宋迎东张盛于国强陈正扬
申请(专利权)人:南京航空航天大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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