复合材料微观组织结构的仿真与计算

论文摘要

随着对材料细观尺度问题研究的深入,科学家们对材料微观组织结构与相应的材料性能之间的内在联系、特别是材料组成物的取向与几何形状的局部组合对材料性能的综合影响,给予了极大的兴趣和关注。近年来,国内外许多学者以计算机仿真与数值计算为手段将计算机技术成功运用于材料科学,通过各种算法设计实现了材料微观组织结构的数字化仿真与数值计算,但是这些研究大多只注重某一种材料或某一种微观组织结构在数值计算过程中的细观问题,而忽视了计算机技术在材料科学应用中的基础性平台建设。本文在“数字材料”技术领域,设计了通过计算机仿真构筑一系列复合材料微观组织结构模型的技术流程,运用Visual C++语言编程开发了相应的仿真软件ProDesign三维版,着重说明了如何通过改变、控制、组合由计算机构筑的几何实体,产生一个符合预定要求的微观组织结构,运用OpenGL可视化技术展示了仿真得到的各种类型微观组织结构模型,软件使用者可以通过组合不同种类的基本模块得到一个复杂的复合材料微观组织结构。具体研究内容包括三个方面：为了实现平面状态下多晶体基体微观组织结构的可视化仿真,设计了二维Laguerre（L）模型的外存式增量算法,以该算法为核心对软件ProDesign二维版进行了升级。由于L模型中晶粒的尺寸分布是可控的,仿真得到的微观组织结构模型更接近于实际材料的微观组织结构。同时,在对“海量”球状颗粒集合进行L模型构筑时,避开了计算机内存的限制,经过测试,该升级版软件可以在普通电脑上快速仿真得到几十万个晶粒构成的二维多晶体基体微观组织结构模型。在仿真三维多晶体基体微观组织结构的过程中,运用简单合理的空间数据结构,设计了基于计算机硬盘文件为运算及存储对象的三维空间L模型外存式增量算法,在指定“材料代表性体积单元”区域内实现了“海量”三维多晶体基体的构造,同时开发了相应的可视化技术,可视化模块能够直观演示构造的L模型与相应的权球集合,方便了对构造结果的评估,针对科学家们普遍感兴趣的多晶体基体内部结构的研究,设计了任意平面剖分方法,达到了演示多晶体基体内部构造的目的。通过对多晶体基体中埋入第二相组成物的仿真,开发了一个能够系统化、模块化“生产”各种组成物增强型复合材料微观组织结构“样本”的仿真技术。在仿真算法构造过程中：从计算几何角度,解决了判断任意多个椭球之间是否相交、相互包容的问题；判断任意多个多面体之间是否相交、相互包容的问题；判断任意多面体与椭球之间是否相交、相互包容的问题；设计了任意形状凸多边形的面积计算模块,任意形状凸多面体的体积计算模块。通过复杂的空间几何模型的旋转、平移变换,以用户指定或随机的方式,实现了任意尺寸、形状、取向、空间分布椭球状组成物的仿真。多面体颗粒的仿真通过“同体拆分法”或“异体拆分法”从多晶体基体自生的晶粒中或从另一个同尺寸多晶体基体中获取。各种类型的复合材料微观组织结构都运用OpenGL可视化编程技术设计了实体可视化方案与三视面可视化方案。同时,开发了基于L算法与第二相组成物仿真的三维复合材料微观组织结构仿真软件ProDesign三维版,该软件可以仿真得到满足工程应用要求的“海量”级复合材料微观组织结构模型,并使其中第二相组成物的位置、形状、平均尺寸、分布方式、体积份额、空间取向均可按照事先指定的要求任意设置、随意组合,获得所有相关几何信息数据。该软件能够做到微观组织结构几何细节仿真一次自动成形,并能通过基本模块的不同组合构造出多种多样复杂复合材料微观组织结构模型。软件的开发在“材料微观组织结构-可视化仿真-有限元计算”之间搭建了“沟通”桥梁,为复合材料微观组织结构的计算提供了基础性仿真工具。在“数值材料”技术领域,基于APDL脚本语言,开发了在商业有限元计算软件ANSYS平台上全流程自动构建、定义、计算材料“代表性体积单元”的技术,打造了材料微观组织结构计算软件CMMC。在ProDesign三维版构造的材料微观组织结构模型基础上,运用该技术可以自动实现材料微观组织结构在ANSYS中几何模型的建立；材料、边界条件和载荷的定义；有限元网格的划分；求解类型、载荷步的设置；计算结果的输出；图像、动画的自动提取及保存等。最终,本研究基本实现了复合材料微观组织结构仿真与计算一体化软件平台的建设。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 国内外文献综述
• 1.2.1 复合材料微观组织结构的计算机构建
• 1.2.1.1 真实复合材料微观组织结构的计算机重构技术
• 1.2.1.2 模拟多晶体材料晶粒长大的计算机模拟技术
• 1.2.1.3 基于Voronoi（V）算法或Laguerre（L）算法的可视化仿真技术
• 1.2.2 复合材料微观组织结构的细观力学计算
• 1.2.2.1 解析解法求解多晶体材料的细观力学行为
• 1.2.2.2 有限元法求解材料的细观力学行为
• 1.3 本课题的研究目的及意义
• 1.4 本课题的研究背景与理论基础
• 1.4.1 "数字材料"理论
• 1.4.1.1 材料微观组织结构的特点
• 1.4.1.2 V模型的定义
• 1.4.1.3 L模型的定义与构造算法简介
• 1.4.1.4 微观组织结构几何信息的数据结构
• 1.4.1.5 三维复合材料微观组织结构的可视化技术
• 1.4.2 材料微观组织结构数值计算理论
• 1.4.2.1 有限元方法的优势
• 1.4.2.2 ANSYS软件简介
• 1.5 本课题的主要研究内容与结构
• 第2章 仿真二维多晶体基体微观组织结构的L算法
• 2.1 算法选择的依据
• 2.2 构造L模型的增量算法简介
• 2.3 算法的详细设计与总体流程
• 2.3.1 数据结构
• 2.3.2 数据存储
• 2.3.3 算法具体步骤
• 2.3.4 在指定平面区域内生成L模型
• 2.3.5 误差处理
• 2.4 计算机实验结果
• 2.5 计算机实验结论
• 第3章 仿真三维多晶体基体微观组织结构的L算法与可视化技术
• 3.1 三维仿真要解决的三个技术问题
• 3.2 算法的详细设计与总体流程
• 3.2.1 数据结构
• 3.2.2 数据存储
• 3.2.3 面的法向量与顶点排序
• 3.2.4 算法具体步骤
• 3.2.4.1 随机产生空间点坐标的算法设计
• 3.2.4.2 仿真程序数据输入算法设计
• 3.2.4.3 判断新晶核在哪个晶粒内的算法设计
• 3.2.4.4 构造P（pi）的算法设计
• 3.2.4.5 修改邻近受影响L单胞的算法设计
• 3.2.5 在指定空间区域内生成L模型
• 3.2.5.1 L单胞一面或几面在边界面上的处理
• 3.2.5.2 构造初期单胞包含边界面的处理
• 3.2.6 计算误差引起"裂缝"的处理
• 3.3 海量三维多晶体基体微观组织结构的可视化设计
• 3.4 计算机实验结果与三维空间L模型的内部构造
• 3.5 计算机实验结论
• 第4章 多晶体基体中第二相组成物的仿真
• 4.1 基本概念
• 4.1.1 椭球的方程
• 4.1.2 椭圆的方程
• 4.1.3 三维图形变换
• 4.1.3.1 平移变换
• 4.1.3.2 旋转变换
• 4.2 仿真椭球状组成物的算法设计
• 4.2.1 仿真椭球状组成物的主程序框架
• JUDGE（）的算法设计'>4.2.2 判断两椭球相交子程序INTERSECT_JUDGE（）的算法设计
• JUDGE（）的算法设计'>4.2.3 判断两椭球包含子程序INCLUDE_JUDGE（）的算法设计
• 4.2.4 控制椭球状组成物形态的算法设计
• 4.2.5 控制椭球状组成物空间取向的算法设计
• 4.2.6 椭球状组成物可视化方案的算法设计
• 4.2.7 椭球状组成物的空间分布
• 4.2.8 椭球状组成物与基体之间界面的处理
• 4.2.9 椭球状组成物按比例分布在晶界上
• 4.3 仿真长方体颗粒的算法设计
• 4.4 仿真多面体颗粒的算法设计
• 4.5 计算机实验结果与结论
• 第5章 复合材料微观组织结构的数值计算
• 5.1 材料微观组织结构应力应变响应计算的实现方案
• 5.2 材料微观组织结构的局部各向异性
• 5.3 材料微观组织结构的应力应变响应计算
• 5.3.1 多晶体材料微观组织结构的应力应变响应计算
• 5.3.1.1 设计人机对话窗口输入控制参数
• 5.3.1.2 APDL脚本的分析流程
• 5.3.1.3 多晶体材料微观组织结构的计算结果
• 5.3.2 复合材料微观组织结构的应力应变响应计算
• 5.3.2.1 复合材料微观组织结构模型的构建
• 5.3.2.2 复合材料微观组织结构的计算结果
• 5.4 本章小结
• 主要结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录