网状增强金属基复合材料的数值模拟方法技术

本申请提供一种网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，包括如下步骤：步骤(1)：获取网状增强金属基复合材料和网状增强金属基复合材料基体材料的材料参数；步骤(2)：对网状增强的金属基复合材料制成的构件进行宏观工况模拟；步骤(3)：采用Voronoi镶嵌法构建网状增强的金属基复合材料的增强相呈空间三维网状分布的微观组织的几何模型；步骤(4)：根据步骤(2)中宏观工况模拟的后处理结果、网状增强金属基复合材料的基体材料和增强相，进行微观模拟组织演变。根据本申请的网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，能有效地预测网状增强金属基复合材料变形过程中微观组织演变和承力加载过程中材料的安全性。

Numerical simulation of mesh reinforced metal matrix composites

【技术实现步骤摘要】
网状增强金属基复合材料的数值模拟方法
本申请属于合金制备
，具体涉及一种网状增强金属基复合材料的数值模拟方法。
技术介绍
目前,随着科技的进步，对装备的性能要求越来越高，同时推动了支撑装备的关键材料的研发与应用，其中金属基复合材料具有优异的比强度、比刚度、抗氧化性能、耐磨性和抗蠕变性能，所以应用范围广泛。同时，金属基复合材料具有传统材料无法比拟的可设计性，可以通过改变基体合金种类、颗粒尺寸，以及增强相种类、形状、体积分数和分布得到制备和服役性能兼备的复合材料。虽然金属基复合材料具有优异的性能，但是新材料从研发到应用，完全通过实验试制的方法不仅流程繁琐、周期长，而且需要高昂的费用，从而阻碍和金属基复合材料的发展与应用。随着计算科学的快速发展，有限元数值模拟技术大大缩短了新材料的研发周期，降低了生产成本，并且能预测构件的安全性能。传统的金属基复合材料的烧结制备、热变形、服役工况等方面都成功运用了数值模拟技术，并且技术已经相当成熟。但是，网状增强金属基复合材料是一种近十年来刚刚研发出的新材料，该类材料颠覆了传统金属基复合材料中增强相弥散均匀分布的理念，使增强相呈空间网状分布，增强相空间网状分布形式复合刚度理论上限值，增强相增强效果最优化，伴随着性能的改善，材料的微观结构更加复杂。因此，如何提供一种能够有效地预测网状增强金属基复合材料变形过程中微观组织演变和承力加载过程中材料的安全性，减低新材料的研发成本，缩短新材料的制备周期，提高新材料的使用安全性的网状增强金属基复合材料的数值模拟方法成为本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，能够有效地预测网状增强金属基复合材料变形过程中微观组织演变和承力加载过程中材料的安全性，减低新材料的研发成本，缩短新材料的制备周期，提高新材料的使用安全性。为了解决上述问题，本申请提供一种网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，包括如下步骤：步骤(1)：获取网状增强金属基复合材料和网状增强金属基复合材料基体材料的材料参数；步骤(2)：对网状增强的金属基复合材料制成的构件进行宏观工况模拟；步骤(3)：采用Voronoi镶嵌法构建网状增强的金属基复合材料的增强相呈空间三维网状分布的微观组织的几何模型；步骤(4)：根据步骤(2)中宏观工况模拟的后处理结果、网状增强金属基复合材料的基体材料和增强相，进行微观模拟组织演变。优选地，基体材料为钛合金、铝合金、铁合金、镍合金和钴合金中的任一种；和/或，材料参数为力学性能；和/或，步骤(2)中，采用有限元软件进行宏观工况模拟；和/或，步骤(4)中，进行微观模拟组织演变中采用的软件为ABAQUS数值模拟软件。优选地，有限元软件为材料加工数值模拟软件；和/或，步骤(4)中，将几何模型、材料属性以及边界条件通过INP文件导入ABAQUS数值模拟软件中。优选地，材料加工数值模拟软件为DEFORM、ABAQUS、ANSYS、MARC中的任一种；和/或，边界条件为宏观工况模拟中目标位置相邻节点位移数据；和/或，材料属性包括：基体材料的力学性能和增强相的材料参数。优选地，宏观工况模拟包括如下步骤：采用三维构型软件进行工件建模；将工件建模导入加工数值模拟软件中；在加工数值模拟软件中对构件进行网格划分。优选地，在加工数值模拟软件中对工件进行网格划分时，网格的尺寸与步骤(4)中立方体微结构尺寸相同；和/或，坯料力学性能采用网状增强金属基复合材料的材料参数；和/或，在步骤(2)中还包括如下步骤：宏观工况模拟结束后通过后处理模块输出位移结果数据；和/或，在宏观工况模拟中，当实际工况中有模具时，将模具设置为刚性体；在所述加工数值模拟软件中根据实际工况设置温度、摩擦和散热。优选地，在材料加工宏观工况模拟软件中，对所述工件进行网格划分时，工件的单元格采用八节点立方体。优选地，采用Voronoi镶嵌法构建网状增强的金属基复合材料的增强相呈空间三维网状分布的微观组织的几何模型包括如下步骤：采用ABAQUS有限元软件创建立方体微结构几何模型；将几何模型划分为八节点三维减缩积分应力单元；基于Voronoi镶嵌法构建增强相呈空间三维网状分布的微观组织形貌。优选地，Voronoi镶嵌法的基本思路是在空间范围内生成n个种子点的集合，即S＝{p1,p2,…,pn}，dE(p,pi)定义为空间内点p到点pi两点之间的欧几里德距离，则种子点pi作为核心点的影响域为：在规定空间范围内，vE(pi)影响域中的点到核心点pi的距离比到任何其他核心点的距离都近，同一个影响域中的单元组成的集合作为一个网状组织，并在相邻影响域的界面处随机抽取单元，即抽取单元体积分数为增强相的体积分数，作为网状组织钛合金中的增强相。优选地，创建立方体微结构包括如下步骤：根据网状组织结构的平均尺寸，计算微结构中网状组织结构的数量；根据网状组织结构的数量，生成相同数量的种子点，每个种子点形成一个影响域；一个影响域代表一个网状结构；在两个影响域的界面处随机抽取单元格作为增强相。优选地，单元格的体积分数和实际材料相同。本申请提供的网状增强金属基复合材料的数值模拟方法；能够有效地预测网状增强金属基复合材料变形过程中微观组织演变和承力加载过程中材料的安全性，减低新材料的研发成本，缩短新材料的制备周期，提高新材料的使用安全性。本申请突破传统金属基复合材料增强相均匀分布的微观结构的设计思路，实现增强相网状分布金属基复合材料的几何模型直观构建。并利用数值模拟方法可以精确预测新材料的微观组织演变和加工后的力学性能，降低新材料研发和制备成本，缩短新材料从研发到使用的周期，提高新材料服役安全性。附图说明图1为网状增强金属基复合材料的微观组织照片。图2为网状增强金属基复合材料微观组织的几何模型照片。图3为本实施例实例1所述方法数值模拟后微观组织演变照片。图4为本实施例实例2所述方法数值模拟后微观组织演变照片。图5为本实施例实例3所述方法数值模拟后微观组织演变照片。图6为试验例1所述方法热变形后微观组织演变照片。图7为试验例2所述方法热变形后微观组织演变照片。图8为试验例3所述方法热变形后微观组织演变照片。具体实施方式试验例1本试验例中采用的材料为SiC网状增强铝基复合材料，铝合金是指2024铝合金，网状增强铝基复合材料是指SiC网状增强2024铝基复合材料。网状结构平均尺寸为120μm，增强相的体积分数为5vol.％。实际宏观工况为圆环压缩实验，坯料为外径180mm、内径90mm、高度为60mm的圆环试样，锻造温度为450℃，上模压下速率为3mm/s，上下模和坯料之间均用玻璃粉润本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤(1)：获取网状增强金属基复合材料和所述网状增强金属基复合材料基体材料的材料参数；/n步骤(2)：对所述网状增强的金属基复合材料制成的构件进行宏观工况模拟；/n步骤(3)：采用Voronoi镶嵌法构建所述网状增强的金属基复合材料的增强相呈空间三维网状分布的微观组织的几何模型；/n步骤(4)：根据所述步骤(2)中所述宏观工况模拟的后处理结果、所述网状增强金属基复合材料的基体材料和增强相，进行微观模拟组织演变。/n

【技术特征摘要】
1.一种网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：获取网状增强金属基复合材料和所述网状增强金属基复合材料基体材料的材料参数；
步骤(2)：对所述网状增强的金属基复合材料制成的构件进行宏观工况模拟；
步骤(3)：采用Voronoi镶嵌法构建所述网状增强的金属基复合材料的增强相呈空间三维网状分布的微观组织的几何模型；
步骤(4)：根据所述步骤(2)中所述宏观工况模拟的后处理结果、所述网状增强金属基复合材料的基体材料和增强相，进行微观模拟组织演变。


2.根据权利要求1中所述的网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，其特征在于，所述基体材料为钛合金、铝合金、铁合金、镍合金和钴合金中的任一种；
和/或，所述材料参数为力学性能；
和/或，所述步骤(2)中，采用有限元软件进行宏观工况模拟；
和/或，所述步骤(4)中，所述进行微观模拟组织演变中采用的软件为ABAQUS数值模拟软件。


3.根据权利要求2中所述的网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，其特征在于，所述有限元软件为材料加工数值模拟软件；
和/或，所述步骤(4)中，将所述几何模型、材料属性以及边界条件通过INP文件导入所述ABAQUS数值模拟软件中。


4.根据权利要求3中所述的网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，其特征在于，所述宏观工况模拟采用的软件为DEFORM、ABAQUS、ANSYS、MARC中的任一种；
和/或，所述边界条件为所述宏观工况模拟中目标位置相邻节点位移数据；
和/或，所述材料属性包括：所述基体材料的力学性能和所述增强相的材料参数。


5.根据权利要求3中所述的网状增强金属基复合材料的数值模拟方法，其特征在于，所述宏观工况模拟包括如下步骤：
采用三维构型软件进行工件建模；
将所述工件建模导入所述加工数值模拟软件...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞，崔传勇，周亦胄，孙晓峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21