[发明专利]一种两相复合材料的随机热均化分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料计算力学技术领域，特别是一种两相复合材料的随机热均化分析方法。

背景技术

复合材料是指含有两种或两种以上组分的新材料。根据不同的工程需要，人们可以方便地选取不同的组分材料并采用最适合的细观结构来优化复合材料的性能，使其具有任何一种单一材料都无法具备的性能。复合材料可以看作是细观和宏观两个层次的材料。借助于电子扫描电镜等仪器，人们可以清晰地观察到复合材料的细观结构。宏观上均匀的复合材料，当描述尺度小到一定程度的时候，其细观层次上就是非均匀的，所以也可以称这类材料为非均质材料。其组分材料中有一相是连续的基体材料，而其它相是离散地分布于基体材料中，通常称为夹杂。基体材料包括金属、陶瓷和聚合物三类常见的固体材料，分别构成金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及聚合物基复合材料。夹杂通常比基体的性能更强，因而又称为增强体或增强材料。夹杂的形状通常是颗粒、纤维等，微孔洞和微裂纹则可以视为特殊的夹杂。

对复合材料的研究和分析是一个经典的问题，在连续介质力学范围内，存在着宏观力学和细观力学两种研究方法。宏观力学方法着重于研究由复合材料组成的结构的性能，如刚度、强度、热传导率和热应力的计算等；细观力学方法主要在细观结构尺度上研究各相材料的相互作用，以及建立材料宏观性能与细观结构参数之间的关系。这里的宏观性能也称为平均性质、有效性质，是指能够在宏观尺度上实验测量的材料性能，它包括有效热传导系数、有效弹性参数等。

复合材料在宏观尺度所表现出来的大部分物理学性质大多是由细观非均质结构决定的。由于复合材料的宏观长度尺寸显著的大于微尺度下不同组分的长度尺度，所以无论是用解析法还是数值解法描述复合材料的细观结构都是有一定难度的。一种显著减少分析此类问题所需成本的方法就是用有效均质材料替代原先的非均质材料并通过构建反映宏观性质的有效本构方程进而获得材料的宏观有效性质，即均化方法(如图2所示)。该方法通过使用势能或补充能量原理将材料的有效特征值引入并求解。方法本身依赖于对复合材料的一个具有统计性表征体积单元(RVE:Representative Volume Element)的确定和分析。因其可以大大减少解决宏观结构领域问题所需要的计算工作量，且随着工程需求的变化，该方法得到不断发展，特别是结合有限元方法后，形成了目前多尺度分析非均质材料性质的最有效方法之一。

另一方面，复合材料的热传导系数是电子封装、热控方面应用的重要热学性能指标。热传导系数的高低将直接影响着电子器件的应用可靠性。因此，有效的预测复合材料的宏观热传导系数具有重要的意义。李友云、向子云等结合均化理论，对颗粒随机分布的复合材料热传导问题进行了研究。陈云等建立了颗粒随机分布的复合材料微结构模型，结合均化理论统计的双尺度计算方法，研究了颗粒形状、体积分数和空间分布参数对材料热传导系数的影响，研究表明材料的微结构特征对复合材料的有效热传导系数具有极大的影响。Asakuma Y等研究了金属氢化物板的有效热传导系数，并被Laschet G等应用于开放胞腔的泡沫金属中。Zhang HW等基于离散单元法获得了颗粒相的有效热传导系数。另外，Temizer I和Wriggers P提出了当RVE尺寸与表征宏观结构长度尺度相比不充分小时，可应用高阶热通量的二阶热均化法来获取绝对尺寸影响。

然而由于复合材料的细观结构的复杂性，基体、夹杂体积含量以及细观结构等稍有变化都会引起材料宏观平均性能的变化。而且复合材料细观结构参数的不确定性势必也会引起材料宏观热物理性能的变化，那么，如何描述材料细观结构参数的不确定性、建立宏观性质和细观结构之间的关系模型并最终获得材料的宏观热学性能及响应，是复合材料热分析研究的重点。迄今为止，大部分涉及细观参数复合材料的分析模型都仅考虑了材料细观结构参数的确定性或材料细观结构形态的随机性，如细观结构的形状、尺寸、位置和粒子的分布等，这些研究工作中，极少涉及到复合材料细观结构参数的随机性。限于这些不足之处，采用传统的均化分析方法所求得的复合材料有效响应的计算值并不全面，也不客观。因此，寻找新的随机均化分析方法，消除这些不足，成为求解复合材料有效响应的迫切要求，本发明的主体工作正是解决基粒两相复合材料细观结构参数的随机性对复合材料宏观热传导系数的影响。

发明内容