基于三維微觀晶須構(gòu)成的復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于三維微觀晶須構(gòu)成的復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)估方法，屬于復(fù)合材料力學(xué)領(lǐng)域。本方法采用歐拉法與蒙特卡洛法相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了空間隨機(jī)三維晶須微觀構(gòu)形的對(duì)增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的預(yù)估。該發(fā)明全面表征了晶須的微觀結(jié)構(gòu)，充分考慮了晶須數(shù)量、針腳長(zhǎng)度與空間隨機(jī)分布狀況，具有晶須單元生成效率高、預(yù)估力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確以及使用簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。不但可以為四針狀晶須增強(qiáng)聚合物的剛度分析、應(yīng)力分布規(guī)律提供定性的研究，還可以推廣應(yīng)用到隨機(jī)分布的晶須增強(qiáng)復(fù)合材料有效彈性性質(zhì)、細(xì)觀力學(xué)分析和細(xì)觀損傷失效的數(shù)值計(jì)算，相比二維方法具有十分明顯優(yōu)勢(shì)。
【專利說明】基于三維微觀晶須構(gòu)成的復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于三維微觀晶須構(gòu)成的復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)估方法，屬于復(fù)合材料力學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鋅晶須增強(qiáng)復(fù)合材料作為一類結(jié)構(gòu)和功能一體化的復(fù)合材料，具有優(yōu)異的隱身吸波特性和結(jié)構(gòu)承載能力，在國(guó)防、航天、航空和交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前在考核氧化鋅增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能方面，主要依賴人工制備氧化鋅增強(qiáng)復(fù)合材料，通過如拉伸試驗(yàn)機(jī)、霍普金森桿等設(shè)備進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試。但在研究?jī)?yōu)化氧化鋅增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能時(shí)，勢(shì)必需要考察氧化鋅晶須的數(shù)量與品質(zhì)對(duì)整體氧化鋅增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響，包括靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)以及高應(yīng)變率下的力學(xué)特性，這時(shí)就需要花費(fèi)高昂的成本與時(shí)間去制備大量的實(shí)驗(yàn)樣品，尤其是需要大量可變參數(shù)呈現(xiàn)梯度變化的實(shí)驗(yàn)樣品，這些可變參數(shù)包括晶須針腳長(zhǎng)度、針腳間的空間角度范圍以及晶須的空間分布數(shù)量等。
[0003]應(yīng)用有限元仿真方法開展復(fù)合材料力學(xué)性能的研究十分必要，但是借助有限元仿真方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋅增強(qiáng)復(fù)合材料中微觀嵌入單元屬性的對(duì)其力學(xué)性能影響研究卻面臨著困難，因?yàn)榫ы殧?shù)量與構(gòu)形特殊，在有限元建模時(shí)，現(xiàn)有商用有限元軟件根本無法實(shí)現(xiàn)大量隨機(jī)且可控晶須構(gòu)形的生成與建模，因此也就無法考慮晶須微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響。氧化鋅晶須結(jié)構(gòu)的特殊性以及隨機(jī)分布的特性，使得通過有限元的手段研究多變量隨機(jī)分布的氧化鋅晶須復(fù)合材料的力學(xué)性能更加復(fù)雜，要進(jìn)行定量的計(jì)算更加困難，需要大量的計(jì)算成本。
[0004]目前已有的研究成果中，僅有二維隨機(jī)分布氧化鋅晶須方法，如:氧化鋅晶須應(yīng)力傳遞機(jī)理的數(shù)值模擬研究(北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013年5月，第33卷第5期，頁(yè)碼450-453)。該方法將問題簡(jiǎn)化成二維平面模型，氧化鋅晶須只有三個(gè)針腳，如圖1所示，即為生成的兩組長(zhǎng)短數(shù)量各不相同的二維氧化鋅晶須。但是，采用二維的氧化鋅晶須模型對(duì)氧化鋅復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析，其真實(shí)性與準(zhǔn)確性顯然有待商榷，而且二維模型無法實(shí)現(xiàn)三維力學(xué)參數(shù)的考察，因此，亟待解決三維隨機(jī)氧化鋅晶須的有限元生成方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維氧化鋅增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的預(yù)估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前無法實(shí)現(xiàn)三維氧化鋅晶須微觀建模的問題，提供一種基于三維微觀晶須構(gòu)成的復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)估方法，能夠在考慮晶須微觀構(gòu)形的情況下，基于三維微觀晶須構(gòu)成的復(fù)合材料有限元模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料基本力學(xué)性能的評(píng)估與優(yōu)化分析。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:首先，通過剛體動(dòng)力學(xué)中的歐拉法生成空間隨機(jī)分布的三維晶須針腳的空間位置坐標(biāo)，然后利用晶須針腳的空間坐標(biāo)，利用晶須的中心坐標(biāo)與η個(gè)針腳坐標(biāo)，分別建立梁?jiǎn)卧俨捎糜邢拊椒ㄖ械那度雴卧椒?，將晶須作為嵌入單元嵌入到基體材料中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的三維有限元建模。最后對(duì)有限元模型施加合適的邊界與載荷，通過有限元力學(xué)分析方法，完成復(fù)合材料的力學(xué)性能評(píng)估。
[0007]對(duì)于m個(gè)、每個(gè)具有η個(gè)針腳的三維晶須，本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括如下步驟:
[0008]步驟1，生成空間隨機(jī)分布的三維晶須針腳的空間位置坐標(biāo)。
[0009]步驟1.1，給定基體的長(zhǎng)、寬、高(基體為長(zhǎng)方體形狀)以及針腳長(zhǎng)度范圍。根據(jù)蒙特卡洛方法生成一組(η+6)個(gè)隨機(jī)數(shù)，將(η+6)個(gè)隨機(jī)數(shù)分別作為其中一個(gè)晶須的中心節(jié)點(diǎn)在定坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值、晶須所在動(dòng)坐標(biāo)系的三個(gè)歐拉角以及η個(gè)針腳長(zhǎng)度。
[0010]所述晶須所在動(dòng)坐標(biāo)系為以晶須中心節(jié)點(diǎn)位置為原點(diǎn)，以其中一根針腳為Z軸，依據(jù)右手定則建立的坐標(biāo)系。
[0011]所述定坐標(biāo)系以基體的一個(gè)頂點(diǎn)為原點(diǎn)，以基體的長(zhǎng)、寬、高作為三個(gè)坐標(biāo)軸，依據(jù)右手定則建立的坐標(biāo)系。
[0012]步驟1.2，根據(jù)步驟1.1生成的針腳長(zhǎng)度及中心節(jié)點(diǎn)，采用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和坐標(biāo)變換，將η個(gè)針腳端點(diǎn)的動(dòng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到定坐標(biāo)系下，得出晶須的中心節(jié)點(diǎn)與η個(gè)針腳端點(diǎn)在定坐標(biāo)下的坐標(biāo)值。
[0013]所述針腳定坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式如下:
[0014]r = r0+A_1r' (I)
[0015]其中r(ι為晶須中心節(jié)點(diǎn)在定坐標(biāo)系下的位置矢量;Α為坐標(biāo)變換矩陣，具體為:
[0016]
【權(quán)利要求】
1.基于三維微觀晶須構(gòu)成的復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)估方法，其特征在于:對(duì)于m個(gè)、每個(gè)具有η個(gè)針腳的三維晶須，具體包括如下步驟: 步驟1，生成空間隨機(jī)分布的三維晶須針腳的空間位置坐標(biāo)； 步驟1.1，給定基體的長(zhǎng)、寬、高以及針腳長(zhǎng)度范圍；根據(jù)蒙特卡洛方法生成一組U+6)個(gè)隨機(jī)數(shù)，將(η+6)個(gè)隨機(jī)數(shù)分別作為其中一個(gè)晶須的中心節(jié)點(diǎn)在定坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值、晶須所在動(dòng)坐標(biāo)系的三個(gè)歐拉角以及η個(gè)針腳長(zhǎng)度； 所述晶須所在動(dòng)坐標(biāo)系為以晶須中心節(jié)點(diǎn)位置為原點(diǎn)，以其中一根針腳為Z軸，依據(jù)右手定則建立的坐標(biāo)系； 步驟1.2，根據(jù)步驟1.1生成的針腳長(zhǎng)度及中心節(jié)點(diǎn)，采用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和坐標(biāo)變換，將η個(gè)針腳端點(diǎn)的動(dòng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到定坐標(biāo)系下,得出晶須的中心節(jié)點(diǎn)與η個(gè)針腳端點(diǎn)在定坐標(biāo)下的坐標(biāo)值； 所述針腳定坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式如下: r = r0+A_1r' (I) 其中A為晶須中心節(jié)點(diǎn)在定坐標(biāo)系下的位置矢量;A為坐標(biāo)變換矩陣，具體為:

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三維微觀晶須構(gòu)成的復(fù)合材料力學(xué)性能評(píng)估方法，其特征在于:所述定坐標(biāo)系以基體的一個(gè)頂點(diǎn)為原點(diǎn)，以基體的長(zhǎng)、寬、高作為三個(gè)坐標(biāo)軸，依據(jù)右手定則建立的坐標(biāo)系。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103714216SQ201310752049
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】榮吉利, 項(xiàng)大林, 王丹, 徐天富 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)