[发明专利]一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法

权利要求书

1.一种非连续增强金属基复合材料力学性能设计与预测的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、选取增强体类型、尺寸及体积分数；所述增强体类型包括：颗粒、短棒和晶须，颗粒的形状包括：球体，六面体，二十面体，二十六面体；

步骤二、基于增强体的分布状态构建复合材料的三维代表性体积单元模型；其中，颗粒、短棒和晶须的分布状态分别为：颗粒为随机分布；短棒和晶须分别为完全随机分布和定向分布；

步骤二所述随机分布的具体建模过程包括：

第一步、计算单个增强体的体积：其中，颗粒的体积采用球体体积公式计算单个增强体的体积，短棒、晶须的体积采用圆柱体体积公式计算单个增强体的体积；

第二步、随机旋转所述增强体，分别绕Y轴Z轴旋转，旋转角度分别为θ_rotate和φ_rotate；旋转操作由旋转矩阵计算表示：

第三步、将增强体移动到随机位置(xrandom，yrandom，zrandom)；

第四步、进行两个增强体的碰撞检测，避免增强体相交；

第四步所述两个增强体的碰撞检测的碰撞条件为：

若两个增强体均为球体，则碰撞检测需满足以下条件：

d_particle²＞＝(x₁-x₂)²+(y₁-y₂)²+(z₁-z₂)²

其中，(x₁，y₁，z₁)和(x₂，y₂，z₂)分别为两个球体的球心坐标，d_particle表示颗粒的直径；

若两个增强体为球体和多面体，则多面体的顶点不可在球体内，碰撞检测需满足以下条件：

其中，x_vex，y_vex和z_vex表示多面体的顶点坐标；x_sphere，y_sphere和z_sphere表示球体的球心坐标；

若两个增强体均为多面体，则其中一个多面体的顶点不可在另一个多面体内；为方便判断顶点与多面体的关系，将多面体划分为若干四面体，若顶点不在所有四面体内则顶点不在多面体内；顶点(x₀，y₀，z₀)是否在四面体内需以下判据：

其中，A(x_A，y_A，z_A)，B(x_B，y_B，z_B)，C(x_C，y_C，z_C)和D(x_D，y_D，z_D)分别为4面体ABCD中4个顶点的坐标；

若D₀、D₁、D₂、D₃、D₄同正或同负则顶点在四面体内，否则顶点在四面体外；

第五步、检测增强体的总体积是否达到体积分数，若满足则建模过程结束，否则再次添加增强体；

步骤二所述定向分布的具体建模过程包括：

第1步、计算单个增强体的体积：

颗粒的体积采用球体体积公式计算单个增强体的体积，所述球体体积公式包括：

其中，d_particle表示颗粒的直径；

短棒、晶须的体积采用圆柱体体积公式计算单个增强体的体积，所述圆柱体体积公式包括：

其中，d_section表示短棒、晶须的截面直径；a表示短棒、晶须的长度；

第2步、定向旋转所述增强体，其中，所述短棒、晶须平行于向量则定向旋转矩阵具体为：

其中，θ为短棒、晶须绕Y轴旋转的角度；

第3步、将增强体移动到随机位置(xrandom，yrandom，zrandom)；

第4步、进行两个增强体的碰撞检测，避免增强体相交；

第5步、检测增强体的总体积是否达到体积分数，若满足则建模过程结束，否则再次添加增强体；

步骤三、对复合材料的三维代表性体积单元模型进行网格划分；

步骤四、通过模型计算来修正金属基体和增强体的强度，获得修正后的材料属性；将修正后的材料属性赋予复合材料三维代表性体积单元模型；其中，金属基体强度采用Taylor等效塑性应变模型进行强度修正；增强体的断裂强度采用Griffith断裂模型进行修正；

步骤五、为三维代表性体积单元模型施加边界条件，选取固定的O点(0，0，0)和加载点RF(100，100，100)，对面x＝0上的所有节点施加约束使之与O点具有相同的x坐标，即节点始终保持在x＝0平面上；面y＝0上的所有节点始终在y＝0平面上；面z＝0上的所有节点始终在z＝0平面上；对面x＝100上的所有节点施加约束使之与RF点具有相同的x坐标；面y＝100上的所有节点与RF点具有相同的y坐标；面z＝100上的所有节点与RF点具有相同的z坐标；对加载点RF施加x方向的位移载荷，最大载荷为8，即8％的应变量，载荷的应变速率为4×10^-4s^-1；

步骤六：对复合材料的拉伸试验过程进行数值仿真，获得复合材料在室温下的应力应变曲线并确定材料的变形、断裂行为。