复合材料微结构仿真与性能预测一体化研究

论文摘要

复合材料作为一种新型材料,以其优良的特殊性能和可设计性,在众多领域都有着广泛应用。随着复合材料应用的不断深入,对复合材料的性能要求也愈来愈来高,设计并研究高性能、特殊性能的新型先进复合材料有着重要意义。随着计算机可视化技术和数值计算方法的发展,复合材料的微观组织结构可视化演示得以实现,复合材料的有限元细观力学分析能够研究复合材料细观应力场和定量描述细观结构与性能的关系,阐明复合材料性能变化的规律,指导复合材料的设计,极大地推动了复合材料的发展。目前复合材料结构—性能研究的发展趋势是采用数字化、数值化、虚拟化、可视化技术,建立复合材料微观组织结构可视化仿真、性能预测、性能导向型设计一体化的模拟平台。基于复合材料结构-性能研究的发展现状,本文以数字材料技术为先导,对复合材料的微观组织结构进行计算机设计与构筑,以可视化技术为手段,对复合材料的微观组织结构进行可视化演示,以数值材料技术为核心,计算并预测复合材料微观组织结构的细观结果与有效性能。本文采用Laguerre图对多晶体基体材料的微结构进行仿真。讨论Laguerre图的构造算法,依次研究带权点集Regular三角化的逐点插入增量算法和Regular三角化与Laguerre图的对偶转换实现流程。阐述了通过控制带权点集来完成多晶体材料微结构设计的方法。结合球填充带权点集的设计不仅实现多晶体微结构的模型拟合,还可以完成对具有特殊晶粒分布的多晶体微结构的仿真。同时还讨论了多晶体微结构的空间变换设计,将其用于生成定向凝固的多晶体微结构、构造纳米晶的晶界。在完成几何形貌设计的同时,本文还对晶粒晶体学取向的模拟和设计的方法进行阐述增强相微观组织结构的计算机表征也是本文研究的重点。本文设计了基于Monto-Carlo方法模拟增强相微观组织结构的技术流程。以[0,1]区间的均匀分布随机数发生器为基础,编写了任意区间均匀分布、正态分布和指数概率分布的随机数发生器,用于生成各种几何形貌增强体的几何特征、取向分布、空间分布的信息数据。同时利用基于方向包围盒的空间几何相交检测算法,不仅可以定量澄清增强体之间相互位置关系,还可以实现增强体之间位置关系的控制与设计。本文对增强相微观组织结构的设计有三种方式：（1）针对增强相组成物几何形状的组合设计；（2）对增强相组成物几何特征和取向牲的随机数参数设计,（3）基于空间划分子区域的组合设计。单独使用或组合使用这三种方式能够仿真得到多种增强相的微观组织结构。完成复合材料基体相和增强相微观组织结构的仿真后,还从几何角度讨论了界面相的表征方法。将界面相近似为包覆在增强体上的具有相同厚度的壳体结构,依次对界面相的各亚层区域进行处理,构造出具有分层特征的壳体结构,用于表征界面相的微结构。本文还研究的复合材料中气孔与夹杂缺陷的表征,讨论了这两种缺陷分布在界面上或随机部位的模拟方法。结合基体相的构造、增强相的设计和界面相的构造,给出了颗粒增强、纤维增强及织物增强复合材料微观组织结构的仿真示例。对复合材料细观有限元力学分析的基础是建立可用于数值计算的复合材料微结构代表性体积单元的几何模型。因此对ABAQUS前处理进行二次开发,分别编写了适用于多晶体结构和增强体的几何建模和网格划分程序,实现了复合材料微观组织结构的自动化建模。利用单胞自动识别技术与均匀化处理方法对颗粒增强多晶体复合材料微观组织结构的细观应力场进行了计算。采用基于定义的有限元方法,对复合材料的代表性体积单元施加六组周期性均匀应变边界条件,求得复合材料的刚度矩阵,给出了织物增强复合材料工程弹性常数的预测实例实例。最后对复合材料的等效热膨胀系数进行了预测。采用有限元方法预测的结果与实验测量值吻合较好,验证了预测方法的有效性。最后,对复合材料微观组织结构仿真与性能预测一体化技术进行了研究。将复合材料各组成物微观组织结构的仿真过程进行模块化处理,并设计各仿真模块的接口程序。对基于ABAQUS二次开发的脚本程序如自动化几何建模、网格划分、各向异性材料赋予、边界条件与载荷施加、结果提取与计算等过程进行集成,达到复合材料微结构代表性体积单元性能预测的自动化实现。此外,采用Python语言进行图形用户界面开发,设计各仿真模块的参数输入对话框,同时结合PyOpenGL编程,编写了三维可视化程序,用于演示复合材料组成物的微观组织结构。软件中采用外部数据文件间接传递仿真参数,实现了图形用户主界面、三维可视化视窗、自主开发的程序、ABAQUS脚本调用之间的无缝衔接。开发了复合材料微结构数值仿真的软件VirtualTPS,为复合材料结构-性能研究提供了基础性的工具

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究背景
• 1.1.1 复合材料的发展
• 1.1.2 复合材料的分类
• 1.1.3 复合材料结构优化设计
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 材料微结构仿真与可视化
• 1.2.2 复合材料细观力学方法
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 技术路线与研究内容
• 第2章 基体材料的微结构仿真
• 2.1 Laguerre模型
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 Laguerre图的定义
• 2.2 Laguerre图构造算法
• 2.2.1 算法流程
• 2.2.2 权值点集的构造
• 2.2.3 带权点集的Regular三角化
• 2.2.4 Regular三角化的对偶图
• 2.3 基于Laguerre图的多晶体材料微结构仿真
• 2.3.1 模型拟合
• 2.3.2 晶体学取向模拟
• 2.4 多晶体材料微结构设计
• 2.4.1 权值点集设计
• 2.4.2 结构空间变换
• 2.5 多晶体微结构设计实例
• 2.5.1 梯度分布
• 2.5.2 纳米晶
• 2.5.3 定向凝固
• 2.5.4 多相多晶体
• 第3章 增强材料的微结构构造
• 3.1 增强相微结构的特征
• 3.2 增强相微结构的构造算法
• 3.2.1 Monto-Carlo方法
• 3.2.2 随机数发生器
• 3.2.3 增强相组成物的取向模拟
• 3.2.4 增强相组成物的空间位置关系
• 3.3 增强相微结构仿真
• 3.3.1 规则几何体增强物
• 3.3.2 多面体形貌增强物
• 3.3.3 纤维织物增强物
• 3.4 增强相微结构设计
• 3.4.1 不同形貌组成物组合
• 3.4.2 组成物取向分布设计
• 3.4.3 组成物空间分布设计
• 第4章 复合材料微结构的计算机仿真
• 4.1 基体与增强相界面的表征
• 4.1.1 简单界面
• 4.1.2 理想界面
• 4.2 复合材料缺陷的表征
• 4.3 常见复合材料的微结构仿真
• 4.3.1 颗粒增强复合材料
• 4.3.2 纤维增强复合材料
• 4.3.3 织物增强复合材料
• 第5章 复合材料微结构的数值计算与性能预测
• 5.1 复合材料微结构的自动化建模
• 5.1.1 多晶体基体微结构的几何建模
• 5.1.2 增强相微结构的几何建模
• 5.2 组成物材料的各向异性行为
• 5.3 复合材料微结构的细观应力场计算
• 5.3.1 均匀化处理方法
• 5.3.2 单胞自动识别技术
• 5.3.3 颗粒增强金属基复合材料微结构的数值计算
• 5.4 复合材料微结构刚度系数的预测
• 5.4.1 周期性边界条件
• 5.4.2 基于定义的有限元方法
• 5.4.3 刚度系数预测流程
• 5.4.4 织物增强复合材料刚度系数预测实例
• 5.5 复合材料热膨胀系数的预测
• 5.5.1 热膨胀系数预测方法
• 5.5.2 热膨胀系数预测的流程
• 5.5.3 铝颗粒增强树脂基复合材料热膨胀系数预测
• 第6章 复合材料微结构仿真软件开发
• 6.1 复合材料仿真软件VirtualTPS
• 6.1.1 技术可行性
• 6.1.2 用户需求分析
• 6.1.3 软件结构
• 6.1.4 面向对象的程序设计
• 6.2 系统模块设计
• 6.2.1 主框架设计
• 6.2.2 可视化技术
• 6.3 功能模块设计
• 6.3.1 微结构仿真
• 6.3.2 数值计算模块
• 结论与工作展望
• 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