一种计算颗粒增强复合材料热应力的方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种计算颗粒增强复合材料热应力的方法、系统及存储介质，包括通过杂交热通量有限元模型计算得到全场热通量，以及每个高斯积分点的温度；将计算得到的每个高斯积分点的温度输入杂交热应力有限元模型计算每个高斯积分点的温度引起的热应力；其中，杂交热通量有限元模型和杂交热应力有限元模型构成稳态热力耦合杂交元模型，所述稳态热力耦合杂交元模型采用四叉树法划分颗粒增强复合材料。具有计算效率大幅提高，网格划分用四叉树网格生成程序自动划分，简单高效；克服了杂交元计算时单刚计算复杂的困难；保证较稀疏的单元也能取得较高的精度；在夹杂和基体边界附近区域采用多边形网格进行离散，进一步提高了计算效率的优点。算效率的优点。算效率的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种计算颗粒增强复合材料热应力的方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及有限元热应力计算
，具体而言，涉及一种计算颗粒增强复合材料热应力的方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]单纯的四叉树网格用于计算时所有单元的单元刚度矩阵都可以直接读取调用，计算效率有极大提升，但是存在一个较大的缺陷，由于四叉树单元都是规则的正方形，无法完全拟合基体和夹杂的不规则曲线，最终的结果使材料边界呈现锯齿状。计算时在这些锯齿状区域会出现和实际不符的高应力集中，影响计算精度。这些高应力集中虽然对远场的影响不大，但是无法得到准确的基体夹杂交界面上的应力应变信息。虽然可以通过进一步网格加密来改善这个缺陷，但即使非常细密的网格在边界上也总是锯齿状，而且网格加密后单元数量过多，计算成本太高。对于求解复合材料整体性能的问题采用纯四叉树网格是适用的，但是在实际工程中复合材料的损伤破坏很多时候都由界面引发，所以很多研究中基体和夹杂界面是主要的研究对象，此时纯四叉树网格明显无法适用了。
[0003]综上所述，存在如下至少一个技术问题：
[0004]颗粒增强复合材料的热应力计算效率低；
[0005]网格划分，人工画网格步骤繁琐；
[0006]杂交元计算时单刚计算复杂困难；
[0007]稀疏的单元难以取得较高的精度。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的在于提供一种计算颗粒增强复合材料热应力的方法、系统及存储介质，以解决
技术介绍
中颗粒增强复合材料的热应力计算效率低；网格划分，人工画网格步骤繁琐；杂交元计算时单刚计算复杂；稀疏的单元难以取得较高的精度等困难中的至少一个技术问题。
[0009]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种计算颗粒增强复合材料热应力的方法，包括：
[0010]通过杂交热通量有限元模型计算得到全场热通量，以及每个高斯积分点的温度；
[0011]将计算得到的每个高斯积分点的温度输入杂交热应力有限元模型计算每个高斯积分点的温度引起的热应力；
[0012]其中，杂交热通量有限元模型和杂交热应力有限元模型构成稳态热力耦合杂交元模型，所述稳态热力耦合杂交元模型采用四叉树法划分颗粒增强复合材料。
[0013]优选的，所述四叉树法划分颗粒增强复合材料的步骤包括：
[0014]根据实际计算的精度要求确定网格划分的最大尺寸和最小尺寸；
[0015]根据给定的单元最大尺寸对计算域进行初始网格的均匀划分；
[0016]对所有单元进行均质化判断，若不满足均质化要求则将该单元继续分解划分为四
个正方形单元，若满足均质化要求则停止划分；
[0017]判断所有单元是否满足2:1平衡条件，若不满足则将较大的单元进行四叉树分解；
[0018]重复上述步骤直到所有单元满足均质化要求和2:1平衡条件或者最小单元的尺寸达到给定的最小单元尺寸阈值停止划分。
[0019]优选的，所述稳态热力耦合杂交元模型的四叉树单元和多边形单元为任意边的多边形。
[0020]优选的，所述四叉树单元的单元刚度预计算，实际计算时直接读取调用。
[0021]优选的，所述杂交热通量有限元模型假设高阶热通量场，所述杂交热应力有限元模型假设高阶应力场，保证稀疏单元取得高精度。
[0022]优选的，当精度要求较高时，在夹杂和基体边界附近区域采用多边形网格进行离散。
[0023]优选的，所述稳态热力耦合杂交元模型用于计算的热力学物理量包括热通量场、温度场和热应力场。
[0024]优选的，所述稳态热力耦合杂交元模型中杂交热通量稳态热传导的泛函独立假定单元域内的热通量场和单元边上的温度场，其中热通量函数采用完备多项式近似，单元边上的温度由线性插值得到。
[0025]根据本专利技术的另一方面提供了一种计算颗粒增强复合材料热应力的系统，包括：
[0026]全场热通量及温度计算模块，用于通过杂交热通量有限元模型计算得到全场热通量，以及每个高斯积分点的温度；
[0027]热应力计算模块，将计算得到的每个高斯积分点的温度输入杂交热应力有限元模型计算每个高斯积分点的温度引起的热应力；
[0028]其中，杂交热通量有限元模型和杂交热应力有限元模型构成稳态热力耦合杂交元模型，所述稳态热力耦合杂交元模型采用四叉树法划分颗粒增强复合材料。
[0029]根据本专利技术的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现颗粒增强复合材料热应力的计算。
[0030]应用本专利技术的技术方案，具有如下技术效果：
[0031]该计算方法的优势是计算效率大幅提高，首先，网格划分用四叉树网格生成程序自动划分，简单高效，省去了人工画网格的繁琐步骤；其次，基于四叉树网格单元类型有限的特点，将单元刚度预计算，实际计算时直接读取调用，克服了杂交元单刚计算复杂的困难。杂交热通量有限元假设的高阶热通量场以及杂交热应力有限元假设的高阶应力场可保证较稀疏的单元也能取得较高精度。对于精度要求较高的问题，在夹杂和基体边界附近区域采用多边形网格进行离散，进一步提高了计算效率。
附图说明
[0032]构成本申请的一部分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。在附图中：
[0033]图1示出了根据本专利技术的计算颗粒增强复合材料热应力方法的流程图；
[0034]图2示出了图1中计算颗粒增强复合材料热应力方法的四叉树划分流程图；
[0035]图3示出了图1中计算颗粒增强复合材料热应力方法的积分区域分片图；
[0036]图4示出了图1中计算颗粒增强复合材料热应力方法的单元缩放示意图；
[0037]图5示出了图1中计算颗粒增强复合材料热应力方法的四叉树网格划分过程示意图；
[0038]图6示出了图1中计算颗粒增强复合材料热应力方法的六种典型单元示意图；
[0039]图7示出了图1中计算颗粒增强复合材料热应力方法的多边形—四叉树混合网格模型示意图；
[0040]图8示出了实施例2中由图1计算颗粒增强复合材料热应力方法计算的结果和解析解的对比图；
[0041]图9示出了实施例2中由传统四叉树网格(a)和多边形
‑
四叉树混合网格(b)计算的热通量q
x
云图；
[0042]图10示出了实施例3由HFFEM(a)和MARC(b)计算结果的温度云图；
[0043]图11示出了实施例3由HFFEM(a)和MARC(b)计算结果在中心线上的温度对比图；
[0044]图12示出了实施例3由图1中计算颗粒增强复合材料热应力方法采用简单节点的杂交热通量有限元法绘制的水平热通量(a)和垂直热通量(b)云图；
[0045]图13示出了实施例3由图1中计算颗粒增强复合材料热应力方法采用双节点杂交热通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算颗粒增强复合材料热应力的方法，其特征包括：通过杂交热通量有限元模型计算得到全场热通量，以及每个高斯积分点的温度；将计算得到的每个高斯积分点的温度输入杂交热应力有限元模型计算每个高斯积分点的温度引起的热应力；其中，杂交热通量有限元模型和杂交热应力有限元模型构成稳态热力耦合杂交元模型，所述稳态热力耦合杂交元模型采用四叉树法划分颗粒增强复合材料。2.如权利要求1所述的计算颗粒增强复合材料热应力的方法，其特征在于，所述四叉树法划分颗粒增强复合材料的步骤包括：根据实际计算的精度要求确定网格划分的最大尺寸和最小尺寸；根据给定的单元最大尺寸对计算域进行初始网格的均匀划分；对所有单元进行均质化判断，若不满足均质化要求则将该单元继续分解划分为四个正方形单元，若满足均质化要求则停止划分；判断所有单元是否满足2:1平衡条件，若不满足则将较大的单元进行四叉树分解；重复上述步骤直到所有单元满足均质化要求和2:1平衡条件或者最小单元的尺寸达到给定的最小单元尺寸阈值停止划分。3.如权利要求1所述的计算颗粒增强复合材料热应力的方法，其特征在于，所述稳态热力耦合杂交元模型的四叉树单元和多边形单元为任意边的多边形。4.如权利要求1所述的计算颗粒增强复合材料热应力的方法，其特征在于，所述四叉树单元的单元刚度预计算，实际计算时直接读取调用。5.如权利要求1所述的计算颗粒增强复合材料热应力的方法，其特征在于，所述杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪立会，张蕊，李子淳，陶江波，陈思齐，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：