[发明专利]一种用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法

说明书

本发明公开了一种用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法，颗粒间相互作用采用类硬球势描述，初始时刻数量为N的颗粒随机填充体积为V的模拟盒子，能量最小化后通过增大体系的维里压强实现模拟盒子三轴等向压缩过程，升压阶段结束时体系填充体积分数超过最高随机填充体积分数，颗粒之间存在明显的交叉效应，接着通过减小体系维里压强减弱颗粒之间的交叉效应，当体系总能量接近能量阈值时，压强变化的幅度减小，直到压强变化引起的填充体积分数变化可以忽略时，模拟过程结束。本发明通过体积过压缩‑膨胀过程遍历了随机紧密填充状态附近所有的颗粒填充空间构型，得到的随机紧密填充结构是相对独立的，结果更加准确。

技术领域

本发明涉及计算机模拟技术领域，特别涉及一种用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法。

背景技术

颗粒填充复合材料广泛存在于微电子，航空航天等领域。许多物理过程，如颗粒偏析、混合、剪切等，都对颗粒尺寸分布非常敏感。如在电子封装用底部填充胶材料中，合理的填料粒径分布可使材料的流动性、热学、力学等综合性能达到最佳。一般而言，颗粒在基体中随机分布，提高颗粒随机填充体积分数是材料设计的重要目标之一。

与实验相比，采用数值模拟方法研究颗粒填充问题具有经济、高效、全面的优点。根据是否需要求解颗粒运动学方程可把不同模拟方法分为两类：几何优化算法和动力学算法。几何优化算法显著减少了计算时间。O’Hern等通过增大颗粒半径-弛豫粒子位置这一循环过程实现了无摩擦颗粒的随机紧密填充模拟(文献1)；Labra等采用类似的颗粒移动和大小调整技术实现了颗粒致密填充模拟(文献2)。

现有颗粒随机紧密填充动力学算法迭代步数多，计算效率问题阻碍了其在大规模颗粒填充模拟方面的应用。一般几何优化算法通过增大颗粒直径实现随机紧密填充，当粒径接近连续分布时颗粒大小改变的算法过于复杂。此外，几何优化得到的是局部能量最小构型，单向体积压缩过程不一定能保证得到全局能量最优解。

因此，有必要发展一种用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法，解决当前颗粒填充模拟在计算规模、效率、准确度方面的问题。

本发明引用现有技术文献如下：

文献1:O'Hern,C.S.,et al.,Jamming at zero temperature and zero appliedstress:the epitome of disorder.Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys,2003.68(1 Pt 1):p.011306.

文献2:Labra,C.and E.Onate,High-density sphere packing for discreteelement method simulations.Communications in Numerical Methods inEngineering,2009.25(7):p.837-849.

发明内容

本发明的目的在于解决现有颗粒高密度填充算法在计算效率和精度方面的问题，提出一种用于复合材料设计的多粒径颗粒填充体系级配的模拟优化方法。

本发明将类硬球势引入分子模拟框架，采用几何优化方法在给定区域上分布颗粒，通过控制体系的维里压强调整模拟盒子大小。与一般单向体积压缩模拟方法不同，本发明采用体积过压缩-膨胀方法得到了颗粒随机紧密填充状态附近的全局能量最小构型，提高了计算精度。

在本发明中，颗粒填充体积分数Φ定义为颗粒总体积与模拟盒子总体积之比。