考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料制造技术

本申请属于复合材料多尺度建模领域，为一种考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料

【技术实现步骤摘要】
考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料RVE建模方法


[0001]本申请属于复合材料多尺度建模领域，特别涉及一种考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料
RVE
建模方法
。

技术介绍

[0002]基于数值分析的复合材料有效力学性能分析步骤一般可以划分为：代表性体积单元建模
、
周期性边界条件加载
、
有效力学性能计算
。
其中代表性体积单元
(Representative Volume Element,RVE)
是对复合材料细观构型的重要表征形式，其建模是力学分析的基础，依据其增强相所处位置，典型的
RVE
有体心
、
面心
、
棱心，以及随机分布模型
。
实际复合材料成型过程中，其中颗粒和纤维均随机分布于复合材料内部，其有效力学性能与其中增强相分布形式紧密相关
。
因此，随机分布是颗粒增强相
、
纤维增强相在复合材料内部的主要分布形式，能够反映复合材料微观结构，被大多数数值仿真方法使用；周期性边界条件用于体现复合材料内部相邻
RVE
间的相互影响规律，如相邻两个
RVE
接触面需要保证位移应完全相同，然而基于
RVE
特征，相邻两个
RVE
实际是同一结构，因此
RVE
相对三组对称面位移相同
、
三组棱位移相同
、
八个顶点位移相同，上述要求对随机分布
RVE
的周期性边界条件施加带来困难
。
[0003]造成颗粒随机分布复合材料
RVE
建模困难的主要原因在于需要在建模过程中考虑周期性边界条件施加，当颗粒增强相被
RVE
面
、
棱
、
顶点切割后，其剩余部分需要在对应的面
、
棱
、
顶点上出现，与此同时，模型网格划分时，需保证对应位置存在成对的节点，以满足周期性边界条件施加
。
[0004]目前，解决上述问题的主要手段有如下三种：
[0005](1)
避免增强相与
RVE
边界接触
[0006]一种颗粒随机分布的复合材料宏观有效性质的预测方法，通过控制颗粒增强相位置，使其与
RVE
边界不发生接触，在网格划分中，边界层全部为基体相，能够保障对应位置成对节点存在，但上述方法无法表征处于
RVE
边界的颗粒，导致其无法对大颗粒体积百分比复合材料进行建模，具有局限性
。
[0007](2)
有限随机分布方法
[0008]在建立随机分布模型前，首先根据增强相几何构型与体积百分比建立均匀分布
RVE
，然后对各个颗粒或纤维施加随机扰动，改变其位置，最后对模型施加周期性边界条件
。
现有技术中的一种单向纤维复合材料随机结构生成方法，基于上述手段构建的随机分布模型仍然是在均匀模型基础上进行改进，难以做到完全随机
。
[0009](3)
基于智能算法的随机分布模型
[0010]现有技术中的一种长纤维复合材料随机结构生成及其弹性性能预测方法，通过粒子群算法，结合相应的目标函数与控制方程，实现随机分布纤维复合材料建模
。
上述方法面向纤维增强复合材料，仅需构建二维随机分布结构，通过拉伸实现三维模型构建，且纤维增强相划分网格是可以划为六面体，较易开展周期性边界条件施加，然而颗粒增强相需要构
建三维随机分布结构，且颗粒增强相网格为四面体，增加建模与周期性边界条件施加难度
。
[0011]对此，本专利技术开展考虑完全随机的能够在
PVE
边界进行颗粒增强相施加的复合材料
RVE
建模方法
。

技术实现思路

[0012]本申请的目的是提供了一种考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料
RVE
建模方法，以解决现有技术中难以完全随机或者难以在
RVE
边界进行
RVE
建模的颗粒增强相施加的问题
。
[0013]本申请的技术方案是：一种考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料
RVE
建模方法，包括：
[0014]确定模型输入参数，建立复合材料基础分析模型，通过随机命令在复合材料
RVE
基础模型的
RVE
区域内生成若干随机分布的颗粒坐标；
[0015]每随机产生一个新的颗粒，则进行一次该颗粒是否在
RVE
区域内的判断，若是，则执行下一步骤；若否，则删除该颗粒；
[0016]判断新的颗粒是否与之前的颗粒及其衍生颗粒重合，若是，则删除该颗粒；若否，则执行下一步骤；
[0017]判断新的颗粒是否与模型边界重合，若是，则根据重合位置在对应位置处生成衍生颗粒；若否，则执行下一步骤；
[0018]判断新的颗粒的体积百分比是否满足要求，若是，则生成该颗粒，若否，则删除该颗粒；再次判断颗粒数量是否满足要求，若是，则停止新颗粒的生成，并形成建立复合材料最终分析模型，若否，则再次生成新的颗粒；
[0019]获取复合材料
RVE
最终模型内各颗粒及其衍生颗粒的坐标值，生成
txt
格式文件，将该
txt
格式文件输入至有限元分析软件内，删除超出基体的所有颗粒实体部分，生成随机分布颗粒有限元模型；
[0020]赋予模型属性
、
周期性边界条件
、
载荷类型，并进行有限元分析，基于随机分布颗粒有限元模型结果进行体积平均，计算复合材料有效力学性能
。
[0021]优选地，通过随机命令对复合材料
RVE
基础模型内颗粒进行随机生成的方法为：
[0022]假设其中一个颗粒中心为坐标原点，即
O1(0
，0，
0)
，另一颗粒中心坐标为
O2(x2，
y2，
z2)
，
O1O2间距为1，两个极角分别记为
θ
和
O2(x2，
y2，
z2)
可以通过1，
θ
和表示：
[0023][0024][0025][0026]令1，
θ
和在其可行域内随机取值，即
l
＝
rand(l
min
，
l
max
)
，
θ
＝
rand(0
，
π
)
，其中
a
＝
rand(b
，
c)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料
RVE
建模方法，其特征在于，包括：确定模型输入参数，建立复合材料基础分析模型，通过随机命令在复合材料
RVE
基础模型的
RVE
区域内生成若干随机分布的颗粒坐标；每随机产生一个新的颗粒，则进行一次该颗粒是否在
RVE
区域内的判断，若是，则执行下一步骤；若否，则删除该颗粒；判断新的颗粒是否与之前的颗粒及其衍生颗粒重合，若是，则删除该颗粒；若否，则执行下一步骤；判断新的颗粒是否与模型边界重合，若是，则根据重合位置在对应位置处生成衍生颗粒；若否，则执行下一步骤；判断新的颗粒的体积百分比是否满足要求，若是，则生成该颗粒，若否，则删除该颗粒；再次判断颗粒数量是否满足要求，若是，则停止新颗粒的生成，并形成建立复合材料最终分析模型，若否，则再次生成新的颗粒；获取复合材料
RVE
最终模型内各颗粒及其衍生颗粒的坐标值，生成
txt
格式文件，将该
txt
格式文件输入至有限元分析软件内，删除超出基体的所有颗粒实体部分，生成随机分布颗粒有限元模型；赋予模型属性
、
周期性边界条件
、
载荷类型，并进行有限元分析，基于随机分布颗粒有限元模型结果进行体积平均，计算复合材料有效力学性能
。2.
如权利要求1所述的考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料
RVE
建模方法，其特征在于，通过随机命令对复合材料
RVE
基础模型内颗粒进行随机生成的方法为：假设其中一个颗粒中心为坐标原点，即
O1(0
，0，
0)
，另一颗粒中心坐标为
O2(x2，
y2，
z2)
，
O1O2间距为1，两个极角分别记为
θ
和
O2(x2，
y2，
z2)
可以通过1，
θ
和表示：表示：表示：令1，
θ
和在其可行域内随机取值，即
l
＝
rand(l
min
，
l
max
)
，
θ
＝
rand(0
，
π
)
，其中
a
＝
rand(b
，
c)
表示
a
在
b
到
c
范围内随机取值
。3.
如权利要求2所述的考虑周期边界条件的颗粒随机分布复合材料
RVE
建模方法，其特征在于，对新的颗粒是否与之前的颗粒及其衍生颗粒重合的判断方法为：判断颗粒是否重合满足下式：
(x
i
‑
x
k
)2+(y
i
‑
y
k
)2+(z
i
‑
z
k
)2≤l
min2
判断衍生颗粒是否重合满足下式：其中
k
为
(1
，
i
‑
1)
间的任意整数，
l
min
为颗粒最小间距，
j...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵安安，罗群，樊虎，刘博锋，
申请(专利权)人：中航西安飞机工业集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：