复合材料有限元建模方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术涉及计算机辅助工程技术领域，公开了一种复合材料有限元建模方法、系统及存储介质。复合材料有限元建模方法包括：生成复合材料对应的增强相几何模型与整体域几何模型；将增强相几何模型装配至整体域几何模型中，得到复合材料几何模型；分别对复合材料几何模型中的增强相几何模型和整体域几何模型进行有限元网格划分，得到初始复合材料有限元模型；依次对初始复合材料有限元模型中增强相网格单元与整体域网格单元的空间重合区域进行节点自由度耦合处理，得到复合材料有限元模型。本发明专利技术在保证有限元建模精确性的前提下，降低了计算代价，节省了建模时间成本。节省了建模时间成本。节省了建模时间成本。

【技术实现步骤摘要】
复合材料有限元建模方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及计算机辅助工程
，尤其涉及一种复合材料有限元建模方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]复合材料是由性质不同的增强相和基体组合而成的一种材料，通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组分材料所不能达到的综合性能。由于复合材料性能与其组分材料的形态、含量、分布等因素具有密切的关系，通过调控组分材料的微观构型可以提升材料的宏观性能。
[0003]有限元仿真是探究微观构型变化对材料宏观性能影响规律的重要分析手段。针对具有复杂空间构型的复合材料，有限元建模是仿真的重点。由于增强相空间构型的复杂性，与其互补的基体区域会存在尖角、薄壁等几何特征。同时，增强相与基体间需要共用节点以保证两相材料在界面处的变形协调，这些不仅给划分高质量的有限元网格带来了困难，并且由于局部单元尺寸过小而导致有限元模型整体单元数目巨大，极大地增加仿真计算的时间成本。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种复合材料有限元建模方法、系统及存储介质，旨在解决如何在保证复合材料有限元建模精确性的前提下，降低仿真计算的时间成本的技术问题。
[0005]本专利技术第一方面提供了一种复合材料有限元建模方法，包括：分别生成复合材料对应的增强相几何模型与整体域几何模型；基于所述复合材料中增强相的空间位置，对应将所述增强相几何模型装配至所述整体域几何模型中，得到复合材料几何模型；分别对所述复合材料几何模型中的所述增强相几何模型和所述整体域几何模型进行有限元网格划分，得到具有增强相网格单元与整体域网格单元划分特征的初始复合材料有限元模型；依次对所述初始复合材料有限元模型中增强相网格单元与整体域网格单元的空间重合区域进行节点自由度耦合处理，得到复合材料有限元模型。
[0006]可选的，在本专利技术第一方面的第一种实现方式中，所述分别对所述复合材料几何模型中的所述增强相几何模型和所述整体域几何模型进行有限元网格划分，得到具有增强相网格单元与整体域网格单元划分特征的初始复合材料有限元模型包括：分别设置用于划分所述增强相几何模型的第一网格单元尺寸和所述整体域几何模型的第二网格单元尺寸；根据所述第一网格单元尺寸，对所述增强相几何模型进行有限元网格划分，以及根据所述第二网格单元尺寸，对所述整体域几何模型进行有限元网格划分，得到具有增强
相网格单元与整体域网格单元划分特征的初始复合材料有限元模型。
[0007]可选的，在本专利技术第一方面的第二种实现方式中，所述依次对所述初始复合材料有限元模型中增强相网格单元与整体域网格单元的空间重合区域进行节点自由度耦合处理，得到复合材料有限元模型包括：搜寻所述整体域网格单元包含所述增强相网格单元的所有空间重合区域；分别设置各所述空间重合区域中增强相网格单元和整体域网格单元的节点约束关系，完成节点自由度耦合，得到复合材料有限元模型。
[0008]可选的，在本专利技术第一方面的第三种实现方式中，每一所述整体域网格单元均包括多个整体域网格节点，每一所述增强相网格单元包括多个增强相网格节点，所述搜寻所述整体域网格单元包含所述增强相网格单元的空间重合区域包括：步骤S11、遍历所有整体域网格单元，分别对各整体域网格单元处于同一位置的整体域网格节点进行编号，得到各整体域网格单元的单元编号，将编号的整体域网格节点的第一节点坐标与所述单元编号进行关联保存；步骤S12、选取任一增强相网格节点，获取该增强相网格节点的第二节点坐标，并对所述第二节点坐标进行取整算法，得到比较坐标；步骤S13、分别计算所述比较坐标与各编号的整体域网格节点的第一节点坐标的二范数，获取最小二范数对应的第一节点坐标，并读取该第一节点坐标对应的单元编号，该单元编号对应的整体域网格单元为包含增强相网格单元的空间重合区域；步骤S14、依次遍历剩余的增强相网格节点并重复步骤S12
‑
S13，直至不存在未遍历的增强相网格节点。
[0009]可选的，在本专利技术第一方面的第四种实现方式中，每一所述整体域网格单元均包括多个整体域网格节点，每一所述增强相网格单元包括多个增强相网格节点，所述分别设置各所述空间重合区域中增强相网格单元和整体域网格单元的节点约束关系，完成节点自由度耦合，得到复合材料有限元模型包括：步骤S21、选取任一空间重合区域中各整体域网格节点对应的第一节点坐标和各增强相网格节点对应的第二节点坐标；步骤S22、依次将选取的一个第二节点坐标和所有第一节点坐标代入预置插值函数，并基于所述插值函数，构建节点约束关系，完成选取的空间重合区域中增强相网格节点与整体域网格节点之间的节点自由度耦合；步骤S23、依次遍历剩余的空间重合区域并重复步骤S21
‑
S22，直至不存在未遍历的空间重合区域，得到复合材料有限元模型。
[0010]可选的，在本专利技术第一方面的第五种实现方式中，所述分别生成复合材料对应的增强相几何模型与整体域几何模型包括：基于复合材料中增强相的建模方式，生成增强相几何模型；基于复合材料中增强相的形态特征和分布参数，生成整体域几何模型。
[0011]可选的，在本专利技术第一方面的第六种实现方式中，所述基于复合材料中增强相的建模方式，生成增强相几何模型还包括：若增强相的建模方式为根据提取的真实复合材料的微观组织形貌进行几何模型建模，则剔除真实复合材料几何模型中的基体几何模型，得到增强相几何模型；
若增强相的建模方式为根据增强相的分布参数的统计数据进行建模，则当增强相为颗粒体时，根据增强相的分布参数构建泰森多边形，基于所述泰森多边形生成颗粒分布模型，并将所述颗粒分布模型作为增强相几何模型；当增强相为连续纤维束时，根据增强相的分布参数生成纤维编织模型，并将所述纤维编织模型作为增强相几何模型。
[0012]可选的，在本专利技术第一方面的第七种实现方式中，所述基于复合材料中增强相的建模方式，生成增强相几何模型还包括：基于复合材料中增强相的形态特征，确定整体域几何模型的几何形态，基于复合材料中增强相的分布参数，确定整体域几何模型的尺寸；根据确定的整体域几何模型的几何形态和尺寸，生成整体域几何模型。
[0013]本专利技术第二方面提供了一种复合材料有限元建模系统，包括：模型生成模块，用于分别生成复合材料对应的增强相几何模型与整体域几何模型；模型装配模块，用于基于所述复合材料中增强相的空间位置，对应将所述增强相几何模型装配至所述整体域几何模型中，得到复合材料几何模型；网格划分模块，用于分别对所述复合材料几何模型中的所述增强相几何模型和所述整体域几何模型进行有限元网格划分，得到具有增强相网格单元与整体域网格单元划分特征的初始复合材料有限元模型；节点耦合模块，用于依次对所述初始复合材料有限元模型中增强相网格单元与整体域网格单元的空间重合区域进行节点自由度耦合处理，得到复合材料有限元模型。
[0014]可选的，在本专利技术第二方面的第一种实现方式中，所述网格划分模块具体用于：尺寸设置单元，用于分别设置用于划分所述增强相几何模型的第一网格单元尺寸和所述整体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料有限元建模方法，其特征在于，所述复合材料有限元建模方法包括：分别生成复合材料对应的增强相几何模型与整体域几何模型；基于所述复合材料中增强相的空间位置，对应将所述增强相几何模型装配至所述整体域几何模型中，得到复合材料几何模型；分别对所述复合材料几何模型中的所述增强相几何模型和所述整体域几何模型进行有限元网格划分，得到具有增强相网格单元与整体域网格单元划分特征的初始复合材料有限元模型；依次对所述初始复合材料有限元模型中增强相网格单元与整体域网格单元的空间重合区域进行节点自由度耦合处理，得到复合材料有限元模型。2.根据权利要求1所述的复合材料有限元建模方法，其特征在于，所述分别对所述复合材料几何模型中的所述增强相几何模型和所述整体域几何模型进行有限元网格划分，得到具有增强相网格单元与整体域网格单元划分特征的初始复合材料有限元模型包括：分别设置用于划分所述增强相几何模型的第一网格单元尺寸和所述整体域几何模型的第二网格单元尺寸；根据所述第一网格单元尺寸，对所述增强相几何模型进行有限元网格划分，以及根据所述第二网格单元尺寸，对所述整体域几何模型进行有限元网格划分，得到具有增强相网格单元与整体域网格单元划分特征的初始复合材料有限元模型。3.根据权利要求1所述的复合材料有限元建模方法，其特征在于，所述依次对所述初始复合材料有限元模型中增强相网格单元与整体域网格单元的空间重合区域进行节点自由度耦合处理，得到复合材料有限元模型包括：搜寻所述整体域网格单元包含所述增强相网格单元的所有空间重合区域；分别设置各所述空间重合区域中增强相网格单元和整体域网格单元的节点约束关系，完成节点自由度耦合，得到复合材料有限元模型。4.根据权利要求3所述的复合材料有限元建模方法，其特征在于，每一所述整体域网格单元均包括多个整体域网格节点，每一所述增强相网格单元包括多个增强相网格节点，所述搜寻所述整体域网格单元包含所述增强相网格单元的空间重合区域包括：步骤S11、遍历所有整体域网格单元，分别对各整体域网格单元处于同一位置的整体域网格节点进行编号，得到各整体域网格单元的单元编号，将编号的整体域网格节点的第一节点坐标与所述单元编号进行关联保存；步骤S12、选取任一增强相网格节点，获取该增强相网格节点的第二节点坐标，并对所述第二节点坐标进行取整算法，得到比较坐标；步骤S13、分别计算所述比较坐标与各编号的整体域网格节点的第一节点坐标的二范数，获取最小二范数对应的第一节点坐标，并读取该第一节点坐标对应的单元编号，该单元编号对应的整体域网格单元为包含增强相网格单元的空间重合区域；步骤S14、依次遍历剩余的增强相网格节点并重复步骤S12
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S13，直至不存在未遍历的增强相网格节点。5.根据权利要求3或4所述的复合材料有限元建模方法，其特征在于，每一所述整体域网格单元均包括多个整体域网格节点，每一所述增强相网格单元包括多个增强相网格节点，所述分别设置各所述空间重合区域中增强相网格单元和整体域网格单元的节点约束关
系，完成节点自由度耦合，得到复合材料有限元模型包括：步骤S21、选取任一空间重合区域中各整体域网格节点对应的第一节点坐标和各增强相网格节点对应的第二节点坐标；步骤S22、依次将选取的一个第二节点坐标和所有第一节点坐标代入预置插值函数，并基于所述插值函数，构建节点约束关系，完成选取的空间重合区域中增强相网格节点与整体域网格节点之间的节点自由度耦合；步骤S23、依次遍历剩余的空间重合区域并重复步骤S21
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S22，直至不存在未遍历的空间重合区域，得到复合材料有限元模型。6.根据权利要求1所述的复合材料有限元建模方法，其特征在于，所述分别生成复合材料对应的增强相几何模型与整体域几何模型包括：基于复合材料中增强相的建模方式，生成增强相几何模型；基于复合材料中增强相的形态特征和分布参数，生成整体域几何模型。7.根据权利要求6所述的复合材料有限元建模方法，其特征在于，所述基于复合材料中增强相的建模方式，生成增强相几何模型包括：若增强相的建模方式为根据提取的真实复合材料的微观组织形貌进行几何模型建模，则剔除真实复合材料几何模型中的基体几何模型，得到增强相几何模型；若增强相的建模方式为根据增强相的分布参数的统计数据进...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨光猛，赵聪聪，夏大彪，刘伟，
申请(专利权)人：季华实验室，
类型：发明
国别省市：