[发明专利]一种金属基复合材料中增强体分布构型的设计方法

说明书

本发明提出了一种金属基复合材料中增强体分布构型的设计方法，属于新材料设计技术领域。所述设计方法包括：基于Voronoi算法构建增强体呈网状构型分布的结构模型；切割网络平面；宽化结构模型并生成基体颗粒模型；颗粒状、晶须状增强体排列到网络平面内；划分三维模型的网格；修正网络内的金属基体和陶瓷增强体的强度；赋予各个组分对应的力学性能；施加边界条件及拉伸载荷；计算复合材料的力学性能。该方法具有操作简便、适用复合材料体系广、精度高等特点。

技术领域

本发明涉及一种金属基复合材料中增强体分布构型的设计方法，属于新材料设计技术领域。

背景技术

近些年，随着工程上对结构材料要求的提高，具有良好综合性能的金属基复合材料已成为国际上研究热点之一。而增强体呈准连续分布的复合材料能够比传统的均匀复合材料展现出更高的模量和强度。其原因在于增强体呈网状分布时，提高了高刚度高强度增强体的承载能力，但另一方面增强体团簇也易于造成复合材料萌生早期裂纹和断裂破坏。因此，网状复合材料的变形、断裂行为以及力学性能与增强体形状、含量、尺寸和分布等参量关系密切，传统的试错式材料设计手段已经难以适用于新型网状复合材料的开发。

发明内容

本发明针对增强体呈网状分布的金属基复合材料三维建模与性能预测技术空白，提出预测增强体形状、含量、尺寸和分布等参量与复合材料变形、断裂行为以及力学性能关系的数值模拟预测方法。本发明充分考虑增强体的形状、含量、尺寸即网络结构类型等结构特征，生成三维代表性体积单元模型；对生成的三维代表性体积单元模型施加拉伸边界条件及载荷，通过有限元模拟仿真技术，预测复合材料的力学性能、变形行为及损伤行为。一种金属基复合材料中增强体分布构型的设计方法，所采取的技术方案如下：

一种金属基复合材料中增强体分布构型的设计方法，所述设计方法包括：

步骤一、采用Neper构建网络几何模型，其中，所述Neper是基于Voronoi算法编写的开源软件包，能够构建随机多面体网络结构；并可以采用独特的优化算法构建晶胞/晶界模型；所述几何模型包括原始Voronoi算法生成随机多面体模型，优化算法生成等轴晶胞状的网络结构模型和晶胞尺寸符合正态分布的网络结构；其中，网络平面由四边形、五边形、六边形、七边形和八边形构成；

步骤二、切割网络平面：当生成的网络平面是五边形、六边形、七边形和八边形时，分别对网络平面中的五边形、六边形、七边形和八边形进行切割，生成若干四边形；

步骤三、根据三维模型的几何参数对网络平面进行宽化网格和制作基体模型；所述宽化网格和制作基体模型选取的结构参数包括：三维模型的尺寸L，增强体形状和尺寸，增强体体积分数v，网络平面的总面积S_net；其中，所述增强体形状和尺寸包括晶须的端面半径r_section及长度或者颗粒半径r_particle；

步骤四、将增强体整齐排列到网格平面内，计算获得平面内排满增强体时所需要的增强体个数n，第i个网络平面上将包含增强体的个数n_i和n_t的值，然后根据获得的个数在平面内排满增强体；

步骤五、对复合材料的三维模型进行网格划分，采用有限元软件组装增强体、基体、宽化网络为一个实体，并对该实体划分三维网格，网格类型为4节点4面体网格，划分的网格总数为800000～850000个；

步骤六、采用Taylor等效塑性应变理论对金属基体和增强体的强度进行修正，采用Griffith断裂理论对增强体的断裂强度进行修正，并将修正后的材料属性赋予复合材料有限元模型；

步骤七、对所述有限元模型施加边界条件；

步骤八、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观察材料的变形、断裂行为。

进一步地，步骤二所述五边形的切割方法包括：