一种基于均质化理论的微结构力学性能确定方法与系统技术方案

本发明专利技术属于微结构力学性能分析领域，提供了一种基于均质化理论的微结构力学性能确定方法与系统。其中，该方法包括将微结构的网格模型转换为体素模型；基于微结构的基材料弹性性能参数及体素模型，计算微结构的线弹性参数，所述线弹性参数包括杨氏模量、剪切模量、泊松比、等效杨氏模量面和最坏负载工况下微结构的冯

【技术实现步骤摘要】
一种基于均质化理论的微结构力学性能确定方法与系统


[0001]本专利技术属于微结构力学性能分析领域，尤其涉及一种基于均质化理论的微结构力学性能确定方法与系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]微结构指相对于模型整体而言极小范围内的几何结构。在材料科学中应用微结构，设计和制造出的超材料，极大拓展了原有材料的物理性能空间，从而实现均一材料无法满足的物理性能需求，例如航空航天部件所需的轻量化与高强度需求，汽车工业所需的能量吸收性能，生物医疗领域所需要的负泊松比、物质传输性能等。
[0004]增材制造，俗称3D打印，指的是通过离散
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堆积使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术，可在一台设备上快速精密地制造出任意复杂形状的零件。随着制造材料的日益丰富与加工精度的不断提高，使面向多种应用的复杂微结构的制造成为可能。例如，Carbon公司使用数字光学合成技术，制造了搭载网格结构的运动鞋中底，复杂的网格结构能够分散多方运动压力，同时保证中底的轻盈。由于微结构能够带来优秀的物理性能，近年来，研究者设计和制造了各种不同形态的微结构，不断拓展其应用范围。
[0005]微结构可由基本单元经过周期性密铺构成整体模型，大多数采用正六面体单元。作为构成微结构的基本元素，研究人员设计了不同形态的微结构单元，例如，杆状结构，片状结构，泡沫结构等。不同形态的微结构具有各自的性能特点和适用场景。
[0006]研究人员通过物理试验、结构分析、有限元分析等方法对微结构的力学性能进行分析。物理试验方法指对制造的微结构实体模型进行压缩或拉伸试验，根据记录的力和位移数据获取微结构的力学性质；结构分析指将微结构单元分解为多个基本构件，然后建立基于基本构件的分析模型；有限元分析指利用数学近似的方法对微结构在特定载荷工况下进行模拟，根据力和位移数据获取微结构的力学性质。但是，专利技术人发现，物理试验需要复杂的设备和试验标准，结构分析提供的力学性质有限，有限元分析方法计算复杂度较高。

技术实现思路

[0007]为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供一种基于均质化理论的微结构力学性能确定方法及系统，其为了快捷、准确、全面获取微结构的力学性能，基于均质化理论，在周期性边界的假设下，通过分析微结构单元来获取微结构的等效杨氏模量、剪切模量、泊松比、压缩强度、剪切强度，并展示微结构的弹性各向异性与应力分布，以实现对微结构力学性能的综合分析与全面理解，为微结构的定制化应用与目标性能优化提供了基础。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]本专利技术的第一个方面提供一种基于均质化理论的微结构力学性能确定方法。
[0010]一种基于均质化理论的微结构力学性能确定方法，其包括：
[0011]将微结构的网格模型转换为体素模型；
[0012]基于微结构的基材料弹性性能参数及体素模型，计算微结构的线弹性参数，所述线弹性参数包括杨氏模量、剪切模量、泊松比、等效杨氏模量面和最坏负载工况下微结构的冯
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米塞斯应力分布；
[0013]基于体素模型计算在不同应力下微结构的等效屈服强度，得到微结构的弹塑性参数；
[0014]汇总微结构的线弹性参数和弹塑性参数，绘制微结构物理性能画像，以用于微结构的定制化应用与目标性能优化。
[0015]本专利技术的第二个方面提供一种基于均质化理论的微结构力学性能确定系统。
[0016]一种基于均质化理论的微结构力学性能确定系统，其包括：
[0017]体素模型转换模块，其用于将微结构的网格模型转换为体素模型；
[0018]线弹性参数计算模块，其用于基于微结构的基材料弹性性能参数及体素模型，计算微结构的线弹性参数，所述线弹性参数包括杨氏模量、剪切模量、泊松比、等效杨氏模量面和最坏负载工况下微结构的冯
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米塞斯应力分布；
[0019]弹塑性参数计算模块，其用于基于体素模型计算在不同应力下微结构的等效屈服强度，得到微结构的弹塑性参数；
[0020]物理性能画像绘制模块，其用于汇总微结构的线弹性参数和弹塑性参数，绘制微结构物理性能画像，以用于微结构的定制化应用与目标性能优化。
[0021]本专利技术的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
[0022]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于均质化理论的微结构力学性能确定方法中的步骤。
[0023]本专利技术的第四个方面提供一种计算机设备。
[0024]一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于均质化理论的微结构力学性能确定方法中的步骤。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0026](1)本专利技术基于均质化理论将微结构的网格模型转换为体素模型，快速、准确、全面地获取微结构的力学性能，其中包括微结构的线弹性参数和弹塑性参数，线弹性参数包括杨氏模量、剪切模量、泊松比、等效杨氏模量面和最坏负载工况下微结构的冯
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米塞斯应力分布，弹塑性参数为基于体素模型计算在不同应力下微结构的等效屈服强度，其中，杨氏模量、剪切模量、泊松比和杨氏模量面描述了微结构的弹性性能，压缩屈服强度、剪切强度和最坏负载工况下的冯
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米塞斯应力分布描述了微结构的强度性能。
[0027](2)本专利技术绘制了微结构物理性能画像，对微结构的力学性能进行了可视化展示，能够直观地展示出各种类型微结构之间的性能差异，辅助用户归纳总结结构与性能之间的对应关系，并能够为用户选择和改进微结构提供相应的指导。
[0028]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0029]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0030]图1为本专利技术实施例1提供的基于均质化理论的微结构力学性能确定方法流程图；
[0031]图2(a)为本专利技术实施例1提供的网格模型1与体素模型示意图；
[0032]图2(b)为本专利技术实施例1提供的网格模型2与体素模型示意图；
[0033]图3为本专利技术实施例1提供的杨氏模量面示意图；
[0034]图4为本专利技术实施例1提供的最坏负载工况下冯
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米塞斯应力分布示意图；
[0035]图5为本专利技术实施例1提供的微结构弹塑性分析方法流程图；
[0036]图6为本专利技术实施例1提供的微结构力学性能画像。
具体实施方式
[0037]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0038]应该指出，以下详细说明都是例示性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于均质化理论的微结构力学性能确定方法，其特征在于，包括：将微结构的网格模型转换为体素模型；基于微结构的基材料弹性性能参数及体素模型，计算微结构的线弹性参数，所述线弹性参数包括杨氏模量、剪切模量、泊松比、等效杨氏模量面和最坏负载工况下微结构的冯
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米塞斯应力分布；基于体素模型计算在不同应力下微结构的等效屈服强度，得到微结构的弹塑性参数；汇总微结构的线弹性参数和弹塑性参数，绘制微结构物理性能画像，以用于微结构的定制化应用与目标性能优化。2.如权利要求1所述的基于均质化理论的微结构力学性能确定方法，其特征在于，将杨氏模量、剪切模量、泊松比、压缩屈服强度、剪切强度五个常用的力学性能指标以雷达图的形式进行绘制；将杨氏模量面、最坏负载工况下冯
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米塞斯应力分布作为雷达图的补充，绘制微结构力学性能画像。3.如权利要求1所述的基于均质化理论的微结构力学性能确定方法，其特征在于，在计算微结构的线弹性参数的过程中，初始化体素模型的单元刚度矩阵，根据体素模型和周期性边界条件，微结构组装整体刚度矩阵，求解微结构整体刚度方程，求得扰动单元扰动位移，根据单元扰动位移计算等效本构矩阵以及等效柔度矩阵，从柔度矩阵中提取等效杨氏模量、剪切模量和泊松比。4.如权利要求3所述的基于均质化理论的微结构力学性能确定方法，其特征在于，根据等效本构矩阵计算等效杨氏模量面，对微结构弹性各向异性进行展示；根据单元扰动位移，计算各单元冯
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米塞斯应力，并从冯
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米塞斯应力定义的张量特征值问题中求解出最坏负载工况，展示最坏负载工况下微结构的
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米塞斯应力分布。5.如权利要求1所述的基于均质化理论的微结构力学性能确定方法，其特征在于，计算在不同应力下微结构的等效屈服强度的过程中，递增地更新初始宏观应...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕琳，刘培庆，刘安，彭昊，田李昊，王忠仁，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：