颗粒增强复合材料微结构的数值模拟与虚拟失效

利用材料微观组织结构仿真软件ProDesign生成的颗粒增强复合材料微结构样本,包含大量的Voronoi晶粒与椭球颗粒,被用于模拟真实的复合材料微结构,以研究各向异性与局域性对复合材料微结构力学性能的影响。通过对商业有限元软件ABAQUS的二次开发实现对颗粒增强复合材料微结构细观应力的数值计算。计算机模拟试验证实,增强相颗粒与基体材料的刚度不匹配以及材料微结构组成物取向的局部各向异性,对复合材料结构弱点的分布具有决定性的作用。同时,该计算试验结果对于评估微裂纹的启裂、扩展,预测复合材料微结构材料损伤后的材料性能,推演微结构"虚拟失效行为"亦具有十分重要的意义。     

一种新的材料微结构电磁场效应数值模拟方法

为了定量揭示材料微结构与入射电磁波引起的材料内电磁场效应之间的内在关联性,借助可以表征能量流动方向和大小的Poynting矢量,通过程序设计结合有限元数值模拟的方法实现了材料微结构电磁场效应的计算。建立了材料微结构电磁场效应数值分析有限元模型。在数值计算中,将Poynting矢量正交分解为三个不同方向分量,计算了材料微结构的吸收、透射和波源方向反射效应;根据Poynting矢量在反射方向的分量,计算了任意反射方向的反射效应。研究方法对任意微结构均具有适用性。     

二维复合材料微结构的力学响应计算

复合材料的力学响应数值计算对于多元多向异质体材料微结构的“性能导向型”设计、材料微结构失效的评估与预测具有重要的意义。利用自主开发的材料微观组织结构仿真软件ProDesign构造出二维复合材料微结构的代表性体积单元,通过C语言、Python脚本混合编程的方式,实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发,使之用于复合材料微结构几何模型的建立、材料属性与晶粒取向的赋值、边界条件的定义以及有限元网格的划分,从而有效地实现二维复合材料微结构的细观应力响应计算。     

三维Laguerre模型的外存式增量算法及可视化技术

在用Laguerre算法实现纳米级材料微观组织结构可视化仿真的过程中,解决了传统算法在设计实现三维Laguerre模型(L模型)程序化与可视化时计算机内存占用量大、程序数据结构复杂等问题,设计了由大到小、层层嵌套的空间数据结构,用6个三重嵌套结构体数组作为中间变量,实现了三维L模型体、面、线、点之间数据的传递与拓扑关系的表达.在此基础上,以硬盘上的外部文件为动态存储空间,设计了硬盘数据文件与内存结构体数组之间实时联动的数据交互方案,避开了计算机内存的限制.在仿真超大规模纳米级材料的微观组织结构时,程序运行的内存占用量恒定为1.2 MB,仿真规模仅受限于硬盘的大小,存储微观组织结构几何信息的数据最后以文本文件的形式输出,方便了在工程实际中的应用与二次开发.     

异质体材料三维微观组织结构的可视化仿真

介绍了一种可视化仿真三维异质体材料微观组织结构的有效方法。仿真的微观组织结构以从金相学分析获得的统计意义上的数据描述样本的形态学与晶体学结构。在仿真异质体材料多晶体基体微观组织结构的过程中,设计了构造三维Voronoi晶粒聚合体的增量式外存算法,在指定RVE区域内实现了海量多晶体基体微观组织结构的构造。随后,考虑实际异质体材料中第二相组成物可能的形态、空间取向、空间分布、界面相宽度等几何参数,设计了完全可控的仿真程序,可以根据实验分析需求,通过改变、控制、组合由计算机构筑的第二相组成物的几何实体,产生符合预定要求的微观组织结构。同时,开发了相应的可视化技术,展示了仿真得到的各种类型异质体材料微观组织结构模型。     

热输入对高钼Q420钢焊接接头组织和性能的影响

通过拉伸实验、硬度试验、冲击试验和组织观察研究热输入对高钼Q420钢CO2气体保护焊焊接接头组织与性能的影响,借助Image Pro-Plus 6.0软件测量了焊缝中先共析铁素体、侧板条铁素体和针状铁素体的体积分数比例。结果表明:随着焊接热输入的增加,先共析铁素体和侧板条铁素体组织的含量均逐渐减少,针状铁素体逐渐增加;当焊接热输入为11.68 k J·cm-1时,针状铁素体体积分数达到最大值81.31%。随着针状铁素体体积分数的增加,焊缝金属的低温冲击韧性增加。     

叠层复合材料电磁场效应数值模拟

为了解决现有数值模拟方法不能计算叠层复合材料分层吸收率、分层反射率及多角度反射率的问题,借助可以表征能量流动方向和大小的Poynting矢量,按研究项目要求建立了由碳纤维、石墨颗粒和聚苯乙烯树脂组成的叠层复合材料微结构有限元模型,通过程序设计结合有限元数值模拟的方法实现了电磁场效应的计算。结果表明,所设计的叠层复合材料在宽频范围内具有稳定的电磁场效应。在工作频率2～18GHz范围内,该结构吸收率高达50%以上,而垂直反射率只有10%左右。斜反射率随反射角度增大而减小。迎波第一层的吸收率和反射率均大于第二层。数值模拟结果满足研究项目要求。研究方法对任意叠层材料微结构均具有适用性。     

纤维复合材料电磁屏蔽效能分层多尺度计算

为建立复合材料宏细观尺度之间电磁响应的关联性,将分层多尺度计算方法应用于纤维复合材料电磁屏蔽效能计算。为准确描述复合材料宏细观之间的联系,以电磁屏蔽效能为衡量标准,确定了复合材料细观结构的代表性体积单元(RVE)。根据电磁场媒质本构方程计算了RVE的等效电磁参数。采用分层多尺度方法计算复合材料宏观构件的电磁屏蔽效能。结果表明工作频率越高则复合材料的RVE越小;所设计的纤维复合材料结构在工作频率2～18GHz范围内具有38dB以上的电磁屏蔽效能,且电磁屏蔽效能随工作频率增加而下降。研究方法适用于求解细观结构相分散均匀或分布有规律的任意形状复合材料宏观构件电磁屏蔽效能。     

芳纶纤维复合材料弯曲性能试验仿真

对叠层结构芳纶纤维织物增强复合材料的弯曲性能试验进行仿真,分析±45°纤维铺层对复合材料弯曲性能的影响.参照GB/T 3356-1999弯曲性能试验,生成了4种不同铺层结构小尺寸试样的几何模型,建立了三点弯曲试验的有限元模型,计算得到了试样的应力场结果,预测了试样的弯曲弹性模量及弯曲强度.结果表明:±45°芳纶纤维铺层将提高叠层结构的弯曲性能,为叠层结构的铺层优化设计提供了技术支持.     

多晶体材料构件的跨尺度仿真计算

为进行多晶体材料构件宏观一细观跨尺度相结合的研究,设计"宏观试验仿真计算"与"细观微结构仿真计算"相结合的研究方案,开发以Voronoi增量式外存算法为基础的仿真软件ProDesign,结合C语言程序开发与OpenGL图形软件包绘图,实现三维多晶体材料微结构的可视化仿真;在此基础上,运用多种计算机语言混合编程、商业有限...