一种改进的颗粒增强复合材料RVE模型的构建方法

本发明涉及复合材料，特别是涉及一种改进的颗粒增强复合材料rve模型的构建方法。

背景技术：

1、rve(representative volume element，代表体积单元)模型是在微观上体现复合材料真实结构的一种几何模型，通常包括增强相和基体，增强相一般为颗粒状或者纤维状，基体一般为长方体或立方体，其是通过布尔运算组成的可以在微观上代表复合材料结构的几何体，通过诸如ansys、abaqus等有限元仿真软件可获得复合材料的宏观力学性能、热力学性能、导电性能等。经典力学中不考虑材料内的微观结构细节，而微观力学需要考虑材料的微观结构细节。rve模型可以用于非均质材料的微观结构建模，其宏观力学性能可以代表整个材料的宏观力学性能，在复合材料的结构设计方面具有重要指导意义。

2、目前，构建颗粒增强复合材料代表体积单元几何模型的方法多种多样，主要有：基于随机顺序吸附算法改进的分层随机顺序吸附算法,其可实现体积分数为45％的椭球颗粒代表体积单元。基于约束优化公式提出的一种生成圆柱形纤维和球体随机空间分布的新算法，该算法能够实现体积分数高达80％的横向随机分布连续纤维模型和40％体积分数的球形颗粒增强代表体积单元几何模型；针对二维的代表体积单元模型，随机序列扩展算法可生成高纤维体积分数纤维增强复合材料横截面中纤维的随机分布，其可达到的最大纤维体积分数约为68％；采用下落堆积法能够生成体积分数高达50％以上的颗粒增强复合材料的代表体积单元；空间压缩法也是生成高体积分数代表体积单元的有效方法，该方法可生成体积分数为48％的球形颗粒代表体积单元几何模型和体积分数为80％的椭球形颗粒代表体积单元几何模型；刚性颗粒空间压缩法可实现复杂形貌颗粒的高体积分数投放，可达到体积分数为80％的球形颗粒代表体积单元；利用三维重构技术可还原出样品三维真实结构。

3、然而，上述各算法在构建代复合材料的表体积单元的过程中存在着运算量大，建模周期较长等不足。另外，三维重构技术构建出的三维模型虽然能够反映复合材料的真实微观结构，但三维重构技术对试验设备和技术水平都有较高的要求，在图像获取和数据处理中存在工作量大、成本昂贵的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的改进的颗粒增强复合材料rve模型的构建方法，能够解决现有技术中构建复合材料的三维几何模型时，存在的工作量大、建模周期长的问题。

2、具体地，本发明提供了一种改进的颗粒增强复合材料rve模型的构建方法，包括：

3、采用随机顺序吸附算法，在基体中随机生成多个颗粒，以建立颗粒增强复合材料的代表体积单元几何模型；

4、对所述代表体积单元几何模型进行颗粒填充，直到所述代表体积单元几何模型的体积分数大于预设体积分数值；其中所述颗粒填充包括：

5、将所述基体划分为多个网格；

6、根据各所述网格与各所述颗粒之间的干涉情况，从各所述网格中识别出自由网格，并在各所述自由网格处生成颗粒。

7、根据本发明的一个实施例，所述的采用随机顺序吸附算法，在基体中随机生成多个颗粒，包括：

8、采用随机生成算法，在所述基体中生成多个随机位置，以及在预设尺寸范围内生成各所述随机位置对应的随机尺寸；

9、将各所述随机位置和各所述尺寸保存在预设文档内，并将所述预设文档输入有限元软件，以在所述有限元软件中，根据多个所述随机位置和多个所述随机尺寸生成多个所述颗粒。

10、根据本发明的一个实施例，在所述的在基体中随机生成多个颗粒后还包括：

11、根据各所述颗粒之间是否相互干涉，对各所述颗粒进行删除和保留。

12、根据本发明的一个实施例，所述的根据各所述颗粒之间是否相互干涉，对各所述颗粒进行删除和保留，包括：

13、对各所述颗粒进行编号；

14、按照所述编号的大小顺序，依次判断各所述颗粒是否与其他颗粒相互干涉；

15、若是，则将与所述颗粒干涉的颗粒删除。

16、根据本发明的一个实施例，所述的根据各所述颗粒之间是否相互干涉，对各所述颗粒进行删除和保留，包括：

17、若两个所述颗粒之间的间隙小于预设最小间隙，则两个所述颗粒相互干涉。

18、根据本发明的一个实施例，在所述的在基体中随机生成多个颗粒后还包括：

19、对所述基体和所述颗粒进行布尔运算以作分隔处理，以将所述基体透视化。

20、根据本发明的一个实施例，所述的在各所述自由网格处生成颗粒，包括：

21、以所述自由网格的中心点为待生成颗粒的中心，以与已生成的颗粒不相互干涉为限制条件，设置所述待生成颗粒的尺寸。

22、根据本发明的一个实施例，所述的以所述自由网格的中心点为待生成颗粒的中心，以与已生成的颗粒不相互干涉为限制条件，设置所述待生成颗粒的尺寸，包括：

23、将所述待生成颗粒的尺寸设置成为预设尺寸范围内的最小值；

24、在所述预设尺寸范围内逐渐增加所述待生成颗粒的尺寸，并在每次增加后判断所述待生成颗粒是否与已生成的颗粒相互干涉，以得到所述限制条件下所述待生成颗粒的最大尺寸。

25、根据本发明的一个实施例，在所述的在各所述自由网格处生成颗粒后，还包括：

26、根据所述代表体积单元几何模型中各所述颗粒之间是否相互干涉，对各所述颗粒进行删除和保留。

27、根据本发明的一个实施例，其特征在于，所述颗粒的形状为椭球、球形、多面体形或者不规则几何体形。

28、本发明的技术方案，先采用随机顺序吸附算法，在基体中随机生成多个颗粒，以建立颗粒增强复合材料的代表体积单元几何模型，然后对所建立的代表体积单元几何模型进行颗粒填充，直到该代表体积单元几何模型的体积分数大于预设体积分数值。因此，本发明所提供的技术方案，与现有的采用随机顺序吸附算法相比，可以保证所得到的颗粒增强复合材料的代表体积单元几何模型的体积分数大于预设体积分数值，提高代表体积单元几何模型的质量。并且本发明的技术方案只需要在现有的随机顺序吸附算法做改进，对实验设备和技术水平的要求较低，因此本发明的技术方案具有算法简单、易编程和建模周期短的优点，可以解决现有技术中构建复合材料的三维几何模型时存在的工作量大、建模周期长的问题。

29、根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

技术特征：

1.一种改进的颗粒增强复合材料rve模型的构建方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于，

5.根据权利要求3或4所述的构建方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的构建方法，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，

10.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，

技术总结
本发明提供了一种改进的颗粒增强复合材料RVE模型的构建方法，包括：采用随机顺序吸附算法，在基体中随机生成多个颗粒，以建立颗粒增强复合材料的代表体积单元几何模型；对所述代表体积单元几何模型进行颗粒填充，直到所述代表体积单元几何模型的体积分数大于预设体积分数值；其中所述颗粒填充包括：将所述基体划分为多个网格；根据各所述网格与各所述颗粒之间的干涉情况，从各所述网格中识别出自由网格，并在各所述自由网格处生成颗粒。本发明的技术方案，能够解决现有技术中构建复合材料的三维几何模型时，存在的工作量大、建模周期长的问题。

技术研发人员：李大涛,高应荣,魏霞慧,杨伟
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27