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(duì)材料細(xì)觀尺度問(wèn)題研究的深入，科學(xué)家們對(duì)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(duì)材料性能的綜合影響，給予了極大的興趣和關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)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(guò)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(guò)程中的細(xì)觀問(wèn)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(tái)建設(shè)。
　　 本文在“數(shù)字材料”技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了通過(guò)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(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的仿真軟件ProDesign三維版，著重說(shuō)明了如何通過(guò)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(lèi)型微觀組織結(jié)構(gòu)模型，軟件使用者可以通過(guò)組合不同種類(lèi)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?jī)?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(duì)軟件ProDesign二維版進(jìn)行了升級(jí)。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(duì)“海量”球狀顆粒集合進(jìn)行L模型構(gòu)筑時(shí)，避開(kāi)了計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該升級(jí)版軟件可以在普通電腦上快速仿真得到幾十萬(wàn)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(guò)程中，運(yùn)用簡(jiǎn)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(pán)文件為運(yùn)算及存儲(chǔ)對(duì)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(kāi)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(duì)構(gòu)造結(jié)果的評(píng)估，針對(duì)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(guò)對(duì)多晶體基體中埋入第二相組成物的仿真，開(kāi)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(guò)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(wèn)題；判斷任意多個(gè)多面體之間是否相交、相互包容的問(wèn)題；判斷任意多面體與橢球之間是否相交、相互包容的問(wèn)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(guò)復(fù)雜的空間幾何模型的旋轉(zhuǎn)、平移變換，以用戶(hù)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(guò)“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(lèi)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(kāi)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(mǎn)足工程應(yīng)用要求的“海量”級(jí)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(dòng)成形，并能通過(guò)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(kāi)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(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了在商業(yè)有限元計(jì)算軟件ANSYS平臺(tái)上全流程自動(dòng)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(dòng)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(lèi)型、載荷步的設(shè)置；計(jì)算結(jié)