復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)的仿真與計(jì)算.pdf

1、隨著對材料細(xì)觀尺度問題研究的深入，科學(xué)家們對材料微觀組織結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系、特別是材料組成物的取向與幾何形狀的局部組合對材料性能的綜合影響，給予了極大的興趣和關(guān)注。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者以計(jì)算機(jī)仿真與數(shù)值計(jì)算為手段將計(jì)算機(jī)技術(shù)成功運(yùn)用于材料科學(xué)，通過各種算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了材料微觀組織結(jié)構(gòu)的數(shù)字化仿真與數(shù)值計(jì)算，但是這些研究大多只注重某一種材料或某一種微觀組織結(jié)構(gòu)在數(shù)值計(jì)算過程中的細(xì)觀問題，而忽視了計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)應(yīng)用中的

2、基礎(chǔ)性平臺建設(shè)。
　　 本文在“數(shù)字材料”技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了通過計(jì)算機(jī)仿真構(gòu)筑一系列復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)流程，運(yùn)用Visual C++語言編程開發(fā)了相應(yīng)的仿真軟件ProDesign三維版，著重說明了如何通過改變、控制、組合由計(jì)算機(jī)構(gòu)筑的幾何實(shí)體，產(chǎn)生一個(gè)符合預(yù)定要求的微觀組織結(jié)構(gòu)，運(yùn)用OpenGL可視化技術(shù)展示了仿真得到的各種類型微觀組織結(jié)構(gòu)模型，軟件使用者可以通過組合不同種類的基本模塊得到一個(gè)復(fù)雜的復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)

3、。具體研究內(nèi)容包括三個(gè)方面：
　　 為了實(shí)現(xiàn)平面狀態(tài)下多晶體基體微觀組織結(jié)構(gòu)的可視化仿真，設(shè)計(jì)了二維Laguerre(L)模型的外存式增量算法，以該算法為核心對軟件ProDesign二維版進(jìn)行了升級。由于L模型中晶粒的尺寸分布足可控的，仿真得到的微觀組織結(jié)構(gòu)模型更接近于實(shí)際材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在對“海量”球狀顆粒集合進(jìn)行L模型構(gòu)筑時(shí)，避開了計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，經(jīng)過測試，該升級版軟件可以在普通電腦上快速仿真得到幾十萬個(gè)晶粒構(gòu)

4、成的二維多晶體基體微觀組織結(jié)構(gòu)模型。
　　 在仿真三維多晶體基體微觀組織結(jié)構(gòu)的過程中，運(yùn)用簡單合理的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)硬盤文件為運(yùn)算及存儲對象的三維空間L模型外存式增量算法，在指定“材料代表性體積單元”區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“海量”三維多晶體基體的構(gòu)造，同時(shí)開發(fā)了相應(yīng)的可視化技術(shù)，可視化模塊能夠直觀演示構(gòu)造的L模型與相應(yīng)的權(quán)球集合，方便了對構(gòu)造結(jié)果的評估，針對科學(xué)家們普遍感興趣的多晶體基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)了任意平面剖分方法

5、，達(dá)到了演示多晶體基體內(nèi)部構(gòu)造的目的。
　　 通過對多晶體基體中埋入第二相組成物的仿真，開發(fā)了一個(gè)能夠系統(tǒng)化、模塊化“生產(chǎn)”各種組成物增強(qiáng)型復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)“樣本”的仿真技術(shù)。在仿真算法構(gòu)造過程中：從計(jì)算幾何角度，解決了判斷任意多個(gè)橢球之間是否相交、相互包容的問題；判斷任意多個(gè)多面體之間是否相交、相互包容的問題；判斷任意多面體與橢球之間是否相交、相互包容的問題；設(shè)計(jì)了任意形狀凸多邊形的面積計(jì)算模塊，任意形狀凸多面體的體積計(jì)算

6、模塊。通過復(fù)雜的空間幾何模型的旋轉(zhuǎn)、平移變換，以用戶指定或隨機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)了任意尺寸、形狀、取向、空間分布橢球狀組成物的仿真。多面體顆粒的仿真通過“同體拆分法”或“異體拆分法”從多晶體基體自生的晶粒中或從另一個(gè)同尺寸多晶體基體中獲取。各種類型的復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)都運(yùn)用OpenGL可視化編程技術(shù)設(shè)計(jì)了實(shí)體可視化方案與三視面可視化方案。
　　 同時(shí)，開發(fā)了基于L算法與第二相組成物仿真的三維復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)仿真軟件ProDesi

7、gn三維版，該軟件可以仿真得到滿足工程應(yīng)用要求的“海量”級復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)模型，并使其中第二相組成物的位置、形狀、平均尺寸、分布方式、體積份額、空間取向均可按照事先指定的要求任意設(shè)置、隨意組合，獲得所有相關(guān)幾何信息數(shù)掘。該軟件能夠做到微觀組織結(jié)構(gòu)幾何細(xì)節(jié)仿真一次自動成形，并能通過基本模塊的不同組合構(gòu)造出多種多樣復(fù)雜復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)模型。軟件的開發(fā)在“材料微觀組織結(jié)構(gòu)-可視化仿真-有限元計(jì)算”之間搭建了“溝通”橋梁，為復(fù)合材料微觀

8、組織結(jié)構(gòu)的計(jì)算提供了基礎(chǔ)性仿真工具。
　　 在“數(shù)值材料”技術(shù)領(lǐng)域，基于APDL腳本語言，開發(fā)了在商業(yè)有限元計(jì)算軟件ANSYS平臺上全流程自動構(gòu)建、定義、計(jì)算材料“代表性體積單元”的技術(shù)，打造了材料微觀組織結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件CMMC。在ProDesign三維版構(gòu)造的材料微觀組織結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用該技術(shù)可以自動實(shí)現(xiàn)材料微觀組織結(jié)構(gòu)在ANSYS中幾何模型的建立；材料、邊界條件和載荷的定義；有限元網(wǎng)格的劃分；求解類型、載荷步的設(shè)置；計(jì)算結(jié)