单向长纤维增强复合材料中孔隙随机分布生成方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及单向长纤维增强复合材料中孔隙随机分布生成方法。

背景技术

纤维增强复合材料以其所具有的高比强、高比模量和良好的损伤容限等优良特性而被广泛应用航空、航天领域。然而，由于其内部构造复杂，多相(集体相、增强相、界面相)夹杂，分析尺度横跨微观、细观和宏观，也使相关问题的求解变得十分复杂。为此，研究人员提出若干多尺度分析方法。其中，以代表性体积元法(RVE)构造微结构模型进行计算能有效的解决复合材料多尺度下的分析问题，是近年来微细观力学的研究热点之一。

受加工工艺限制，纤维增强复合材料中大多存在孔隙。孔隙缺陷对材料的力学性能产生不利影响，使材料静态抗变形强度和疲劳强度降低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种单向长纤维增强复合材料中孔隙随机分布生成方法，具体技术方案如下：

一种单向长纤维复合材料中孔隙随机分布生成方法，包括以下步骤：

1)读取窗口长、宽和纤维的分布情况，根据输入的孔隙参数确定孔隙个数；

2)将窗口栅格化，确定每个栅格点的坐标；

3)确定能够放置孔隙的位置；

4)在步骤3)确定的能够放置孔隙的位置中随机选择一个孔隙位置；

5)随机生成一个偏转角度；

6)生成孔隙；

7)根据孔隙与窗口边界的位置关系，对孔隙序列进行处理；

8)重复进行步骤3)、4)、5)、6)和7)，直至生成步骤1)所确定数量的孔隙；

9)输出孔隙分布结果。

进一步的，步骤1)所述纤维的分布情况包括纤维位置坐标，纤维半径。

进一步的，步骤1)所述的孔隙参数包括孔隙率、极限邻近距离、孔隙截面类型和孔隙截面参数；孔隙截面类型包括圆形和椭圆形，孔隙截面参数包括椭圆半长轴和半短轴、圆半径。

进一步的，步骤1)所述的孔隙个数的计算方法为：

其中，L

进一步的，步骤3)所述能够放置孔隙的位置为：孔隙位于基体内且不与纤维相交，孔隙之间不相交。

进一步的，步骤3)所述确定能够放置孔隙位置的方法为：

3.1)将窗口栅格化，计算一个栅格点与现有纤维、孔隙的距离；

3.2)计算此距离与所对应的纤维圆半径、椭圆形孔隙半长轴或圆形孔隙半径的差；

3.3)确定所有差的最小值；当此最小值小于需放置的椭圆形孔隙半长轴或圆形孔隙的半径与极限邻近距离之和，则此栅格点能够放置孔隙；

3.4)对每个栅格点重复进行3.1)-3.3)的操作，得到所有能够放置孔隙的栅格点。

进一步的，步骤7)所述孔隙序列进行处理的方法为：计算孔隙和窗口边界对应线段的交点个数；对于圆形孔隙，进行坐标变换，将坐标原点平移到孔隙圆心，计算孔隙圆和4条边界线段的交点个数；

对于椭圆形孔隙，进行坐标变换，将坐标原点平移到孔隙椭圆中心，将x轴旋转至与椭圆半长轴重合，计算孔隙圆和4条边界线段的交点个数。

当孔隙仅与1个边界有2个交点，则根据窗口尺寸，在孔隙序列中添加1个相对应的孔隙以保证几何边界周期性；

当孔隙与2个边界各有2个交点，则根据窗口尺寸，在孔隙序列中添加2个相对应的孔隙以保证几何边界周期性；

当孔隙与2个边界各有1个交点，则根据窗口尺寸，在孔隙序列中添加3个相对应的孔隙以保证几何边界周期性。

与现有生成随机孔隙分部方法相比，本方法具有如下优点：

(1)不需要在生成纤维分布的过程中进行孔隙的随机生成，使用更加灵活。

(2)适用于任何纤维分布方式，适用性更强。

(3)可以避免纤维与孔隙以及孔隙与孔隙过近而影响后续有限元网格划分。

(4)方法操作简单，易于编程实现。

附图说明

图1为本发明步骤流程图；

图2为纤维分布图；

图3为窗口栅格化示意图；

图4为第一个孔隙可放置位置图；

图5为孔隙放置示意图；

图6为孔隙分布图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示为本发明流程图。

1)读取窗口长L

2)将窗口栅格化。将窗口沿x方向均分为n

3)确定能够放置孔隙的位置

3.1)计算一个栅格点与现有纤维、孔隙的距离。计算此距离与所对应的纤维圆半径、椭圆形孔隙半长轴或圆形孔隙半径的差。确定所有差的最小值。当此最小值小于需放置的椭圆形孔隙半长轴或圆形孔隙的半径与极限邻近距离的和，则此栅格点能够放置孔隙。如图4所示为第一个孔隙可放置位置图。

3.2)对每个栅格点重复进行3.1)操作，得到所有能够放置孔隙的栅格点。

4)在步骤3)确定的能够放置孔隙的位置中随机选择一个孔隙位置。在所有能够放置孔隙的栅格点随机选择一个(x

5)随机生成偏转角度。对于椭圆形孔隙，随机生成一个偏转角度α

6)生成孔隙。将孔隙序号k、位置坐标(x

7)根据孔隙与窗口边界的位置关系，对孔隙序列进行处理。

计算孔隙和窗口边界对应线段的交点个数。对于圆形孔隙，进行坐标变换，将坐标原点平移到孔隙圆心，计算孔隙圆和4条边界线段的交点个数；

对于椭圆形孔隙，进行坐标变换，将坐标原点平移到孔隙椭圆中心，将x轴旋转至与椭圆半长轴重合，计算孔隙圆和4条边界线段的交点个数。

当孔隙圆仅与1个边界有2个交点，则根据窗口尺寸，在孔隙序列中添加1个相对应的孔隙以保证几何边界周期性。当孔隙圆与2个边界各有2个交点，则根据窗口尺寸，在孔隙序列中添加2个相对应的孔隙以保证几何边界周期性。当孔隙圆与2个边界各有1个交点，则根据窗口尺寸，在孔隙序列中添加3个相对应的孔隙以保证几何边界周期性。

8)重复3)、4)、5)、6)和7)，直至生成步骤1)所计算的数量的孔隙。如图6所示为孔隙随机分布图。

9)输出孔隙分布结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。