[发明专利]基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法

说明书

本发明属于复合材料建模与力学计算技术领域，具体涉及基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法。本发明基于结构网格，由给定的独立的几个细观几何参数，区分像素单元所属材料类别，从而实现陶瓷基复合材料细观建模。采用均匀化理论，依据六组不同周期性边界条件下的应力应变关系，获得柔度矩阵，最终实现弹性参数计算。本发明参数化地实现陶瓷基复合材料细观几何模型参数化建模及六面体网格自动划分，并实现力学计算。与传统方法相比，大大降低了难度，减少了对人的依赖，缩减了建模与计算的时间。

技术领域

本发明属于复合材料建模与力学计算技术领域，具体涉及基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法。

背景技术

陶瓷基复合材料作为一种先进的新型材料已经成为航空航天等特种工程技术行业中的理想备选材料。为了实现陶瓷基复合材料的结构设计及工程应用，必须要对其进行细观建模及力学计算。目前，常见的细观建模方法可以分为非结构网格法和结构网格法。

基于非结构网格，孔春元等(孔春元，孙志刚，高希光，宋迎东：2.5维C/SiC复合材料单胞模型及刚度预测，26，2459-2467，(2011))实现了2.5维编织陶瓷基复合材料的细观建模与刚度预测。然而，在非结构化网格中，空间拓扑关系将随着几何参数的变化而发生变化，从而极可能引起建模失败。此外，在网格划分方面，尚无法实现六面体网格的自动划分。这使得细观建模成为一件繁琐而耗时的工作。

参数化建模一直是工程技术人员不断追求的目标。结构化网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元，可以很容易地实现区域的边界拟合，具有网格生成速度快，数据结构简单等优点，可以容易地实现复杂结构的参数化建模及自动网格划分。中国专利CN103871059B《纤维增强复合材料等效弹性参数的计算方法》提供了一种纤维增强复合材料等效弹性参数的计算方法，但是在进行细观建模时采用了XCT技术，而不是参数化的建模方法。即其只能对事先制备完成的材料进行细观建模与力学计算，而无法通过给定任意参数而实现材料的高通量细观建模。目前尚没有一种有效的基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法，可实现陶瓷基复合材料细观几何模型参数化建模及六面体网格自动划分，并实现力学计算。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于结构网格的陶瓷基复合材料细观建模与力学计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：计算建模所需几何参数；

步骤二：根据几何参数生成单胞，并划分结构网格；

步骤三：区分单胞中的像素单元材料；

步骤四：设置像素单元材料属性；

步骤五：对单胞施加周期性边界条件并计算柔度矩阵；

步骤六：根据柔度矩阵计算材料的弹性参数。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述步骤一具体如下：

1)给定独立的几何参数，包括经纱走向波长LC、经纱走向幅值AC和经纱截面宽WC；

2)计算出建模所需的所有几何参数：假设纱线截面由两条形状相同的正弦曲线组成，其形状由正弦曲线波长λ_c＝LC和幅值A_c＝AC，以及短轴间距L_c＝AC决定；几何参数还包括单胞长L₁＝LC，单胞宽L₂＝2·WC，单胞高H＝2·AC。

进一步地，所述步骤二中，划分结构网格具体如下：