一种快速预测不同体积分数下复合材料等效特性的方法与流程

1.本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及一种通过微观结构建模快速预测不同体积分数下复合材料等效特性的方法。


背景技术：

2.复合材料由两种或两种以上的材料通过物理或化学的方式混合而得到，复合材料由基体相和增强相组成。为了预测微观结构对整体复合材料的影响，在给定载荷和边界条件的情况下，必须要考虑复合材料增强相的体积分数对复合材料等效特性的影响。但无论是在现实中还是在软件上进行仿真计算，想要全面地计算不同体积分数下复合材料的等效特性都是一个很耗费人力、物力、财力的事情。
3.近年来，基于计算机数值模拟计算复合材料等效特性的研究日趋成为加速新复合材料开发进程的有效途径。由于材料模拟方法的发展和计算机运算速度的跃变，我们可以在接受的时间内完成对成千上万候选材料结构的计算，这为材料设计的顺利开展创造了条件。开展以优化某种特定功能为目的的材料设计研究可以指导实验快速地找到性能优异的功能材料，同时有助于加深对材料-结构一性质对应关系的物理理解。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种快速预测不同体积分数下复合材料等效特性的方法。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
6.本发明提供一种快速预测不同体积分数下复合材料等效特性的方法，其特点在于，其包括以下步骤：
7.s1、设置复合材料所需基体相和增强相的材料参数；
8.s2、设置复合材料微观结构的分析方法，并对设置的分析方法下的复合材料增强相结构以及分析类型进行设置；
9.s3、设置复合材料微观结构的分析参数；
10.s4、设置复合材料结构组分；
11.s5、运行分析，得到分析结果并通过查看结果和结果曲线进行数据对比。
12.较佳地，步骤s1中，所述材料参数包括材料物理特性密度、线弹性参数、粘弹性参数、热分析参数、超弹性参数、界面层参数、塑性参数、失效准则和常规微弹性参数。
13.较佳地，步骤s2中，复合材料微观结构的分析方法包括rve分析方法和mfh分析方法，rve分析方法中增强相结构包括square array-long fiber、hexagonal array-long fiber、cubic array-spherical particle、body center array-spherical particle、transversely random-long fiber、random short fiber、random-2d-flake和random-3d-flake八种，mfh分析方法中增强相结构包括continuous fiber、particle-cubic array、particle-random、void-cubic array、void-random、short fiber-random、flake和yarn八
种；
14.两种分析方法均可进行以下分析类型的设置：弹性分析(elastic)、热-弹性分析(thermo-elastic)、热结构耦合分析(coupled thermal mechanical)、热传导分析(heat transfer)、粘弹性-应力松弛和蠕变分析(viscoelastic-stress relaxation and creep)、粘弹性-应力应变分析(viscoelastic-stress strain)和弹塑性-应力应变分析(elastoplastic-stress strain)。
15.较佳地，步骤s3中，复合材料微观结构的分析参数包括分析时间、时间增量、载荷类型、载荷方向、以及增长速率等，其中载荷类型分为应力和应变，载荷方向可设置为x、y、z轴三个方向的轴向载荷、剪切载荷和轴向循环载荷。
16.较佳地，步骤s4中，设置复合材料结构组分具体可设置基体相材料、增强相材料、体积分数类型以及参数，该设置中可设置体积分数类型为变化，通过设置增强相材料体积分数的最大最小值和增量可一次性计算出多组不同体积分数下的复合材料微观结构等效特性。
17.较佳地，步骤s5中，运行分析后可快速得到分析结果并通过查看不同体积分数下的计算结果和结果曲线进行数据对比和复合材料微观结构的快速设计。
18.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
19.本发明的积极进步效果在于：
20.本发明中所提供的方法，能够利用三维复合材料微观结构的仿真软件来模拟计算复合材料微观结构的等效特性，可以快速预测不同体积分数下复合材料等效特性，并通过计算出的结果进行快速设计，避免了对复合材料的单次计算次数，建立整个复合材料微观结构分析模型，从而在减少了计算次数、时间和资源浪费的情况下能够保证结果准确度和计算效率。
附图说明
21.图1为本发明较佳实施例的快速预测不同体积分数下复合材料等效特性的方法的流程图。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1所示，本实施例提供一种快速预测不同体积分数下复合材料等效特性的方法，其包括以下步骤：
24.步骤101、设置复合材料所需基体相和增强相的材料参数。
25.在步骤101中，所述材料参数包括材料物理特性密度、线弹性参数、粘弹性参数、热分析参数、超弹性参数、界面层参数、塑性参数、失效准则和常规微弹性参数。
26.步骤102、设置复合材料微观结构的分析方法，并对设置的分析方法下的复合材料
增强相结构以及分析类型进行设置。
27.在步骤102中，复合材料微观结构的分析方法包括rve(representative volume element,代表性体积单元)分析方法和mfh(mean field homogenization，平均场均匀化)分析方法。
28.rve分析方法中增强相结构包括square array-long fiber(方形阵列长纤维)、hexagonal array-long fiber(六边形阵列长纤维)、cubic array-spherical particle(立方阵列颗粒)、body center array-spherical particle(体中心阵列颗粒)、transversely random-long fiber(横向随机颗粒)、random short fiber(随机短纤维)、random-2d-flake(随机二维薄片)和random-3d-flake(随机三维薄片)八种。
29.mfh分析方法中增强相结构包括continuous fiber(长纤维)、particle-cubic array(立方阵列颗粒)、particle-random(随机颗粒)、void-cubic array(立方空白颗粒)、void-random(随机空白)、short fiber-random(随机短纤维)、flake(片层状)和yarn(纱线状)八种。
30.两种分析方法均可进行以下分析类型的设置：弹性分析(elastic)、热-弹性分析(thermo-elastic)、热结构耦合分析(coupled thermal mechanical)、热传导分析(heat transfer)、粘弹性-应力松弛和蠕变分析(viscoelastic-stress relaxation and creep)、粘弹性-应力应变分析(viscoelastic-stress strain)和弹塑性-应力应变分析(elastoplastic-stress strain)。
31.步骤103、设置复合材料微观结构的分析参数。
32.在步骤103中，复合材料微观结构的分析参数包括分析时间、时间增量、载荷类型、载荷方向、以及增长速率等，其中载荷类型分为应力和应变，载荷方向可设置为x、y、z轴三个方向的轴向载荷、剪切载荷和轴向循环载荷。
33.步骤104、设置复合材料结构组分。
34.在步骤104中，设置复合材料结构组分具体可设置基体相材料、增强相材料、体积分数类型以及参数，该设置中可设置体积分数类型为变化(range)，通过设置增强相材料体积分数的最大最小值和增量可一次性计算出多组不同体积分数下的复合材料微观结构等效特性，大大提高计算效率以及复合材料微观结构的快速设计。
35.步骤105、运行分析，得到分析结果并通过查看结果和结果曲线进行数据对比。
36.在步骤105中，运行分析后可快速得到分析结果并通过查看不同体积分数下的计算结果和结果曲线进行数据对比和复合材料微观结构的快速设计。
37.在本发明一种快速设计复合材料结构、快速预测不同体积分数下复合材料等效特性的方法中，针对复合材料结构设计以及体积分数对复合材料有效特性影响研究的问题，发明了一种能够对复合材料的结构进行快速设计并快速预测不同体积分数下的复合材料有效特性的仿真模拟方法，可以大大提高设计复合材料结构的效率，以及研究体积分数对复合材料有效特性影响的准确度和高效性。
38.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。