復合材料微觀組織結構的仿真與計算.pdf

1、隨著對材料細觀尺度問題研究的深入，科學家們對材料微觀組織結構與相應的材料性能之間的內在聯(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注。近年來，國內外許多學者以計算機仿真與數值計算為手段將計算機技術成功運用于材料科學，通過各種算法設計實現了材料微觀組織結構的數字化仿真與數值計算，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構在數值計算過程中的細觀問題，而忽視了計算機技術在材料科學應用中的

2、基礎性平臺建設。
　　 本文在“數字材料”技術領域，設計了通過計算機仿真構筑一系列復合材料微觀組織結構模型的技術流程，運用Visual C++語言編程開發(fā)了相應的仿真軟件ProDesign三維版，著重說明了如何通過改變、控制、組合由計算機構筑的幾何實體，產生一個符合預定要求的微觀組織結構，運用OpenGL可視化技術展示了仿真得到的各種類型微觀組織結構模型，軟件使用者可以通過組合不同種類的基本模塊得到一個復雜的復合材料微觀組織結構

3、。具體研究內容包括三個方面：
　　 為了實現平面狀態(tài)下多晶體基體微觀組織結構的可視化仿真，設計了二維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構模型更接近于實際材料的微觀組織結構。同時，在對“海量”球狀顆粒集合進行L模型構筑時，避開了計算機內存的限制，經過測試，該升級版軟件可以在普通電腦上快速仿真得到幾十萬個晶粒構

4、成的二維多晶體基體微觀組織結構模型。
　　 在仿真三維多晶體基體微觀組織結構的過程中，運用簡單合理的空間數據結構，設計了基于計算機硬盤文件為運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)域內實現了“海量”三維多晶體基體的構造，同時開發(fā)了相應的可視化技術，可視化模塊能夠直觀演示構造的L模型與相應的權球集合，方便了對構造結果的評估，針對科學家們普遍感興趣的多晶體基體內部結構的研究，設計了任意平面剖分方法

5、，達到了演示多晶體基體內部構造的目的。
　　 通過對多晶體基體中埋入第二相組成物的仿真，開發(fā)了一個能夠系統(tǒng)化、模塊化“生產”各種組成物增強型復合材料微觀組織結構“樣本”的仿真技術。在仿真算法構造過程中：從計算幾何角度，解決了判斷任意多個橢球之間是否相交、相互包容的問題；判斷任意多個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；設計了任意形狀凸多邊形的面積計算模塊，任意形狀凸多面體的體積計算

6、模塊。通過復雜的空間幾何模型的旋轉、平移變換，以用戶指定或隨機的方式，實現了任意尺寸、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同尺寸多晶體基體中獲取。各種類型的復合材料微觀組織結構都運用OpenGL可視化編程技術設計了實體可視化方案與三視面可視化方案。
　　 同時，開發(fā)了基于L算法與第二相組成物仿真的三維復合材料微觀組織結構仿真軟件ProDesi

7、gn三維版，該軟件可以仿真得到滿足工程應用要求的“海量”級復合材料微觀組織結構模型，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置、隨意組合，獲得所有相關幾何信息數掘。該軟件能夠做到微觀組織結構幾何細節(jié)仿真一次自動成形，并能通過基本模塊的不同組合構造出多種多樣復雜復合材料微觀組織結構模型。軟件的開發(fā)在“材料微觀組織結構-可視化仿真-有限元計算”之間搭建了“溝通”橋梁，為復合材料微觀

8、組織結構的計算提供了基礎性仿真工具。
　　 在“數值材料”技術領域，基于APDL腳本語言，開發(fā)了在商業(yè)有限元計算軟件ANSYS平臺上全流程自動構建、定義、計算材料“代表性體積單元”的技術，打造了材料微觀組織結構計算軟件CMMC。在ProDesign三維版構造的材料微觀組織結構模型基礎上，運用該技術可以自動實現材料微觀組織結構在ANSYS中幾何模型的建立；材料、邊界條件和載荷的定義；有限元網格的劃分；求解類型、載荷步的設置；計算結