一種建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及有限元建模技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]有限元分析是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法，廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等問題?；谟邢拊治鏊惴ň幹频能浖此^的有限元分析軟件。有限元軟件應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，可應(yīng)用在機(jī)械制造、土木建筑、材料加工、電子電器、航空航天、國防軍工、汽車、船舶、鐵道、石化、能源、橋梁、氣象等各個科學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域。其中ANSYS軟件、ABAQUS軟件都是廣泛應(yīng)用的通用有限元軟件=ANSYS軟件的命令流操作非常方便，對于結(jié)構(gòu)循環(huán)優(yōu)化方面比較有優(yōu)勢；ABAQUS則集中于結(jié)構(gòu)力學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域研究，致力于解決該領(lǐng)域的深層次實(shí)際問題，其強(qiáng)大的非線性分析功能在設(shè)計(jì)和研究的高端用戶群中得到了廣泛的認(rèn)可。
[0003]材料在制備過程中，難免會存在一些缺陷，如孔隙、裂紋、夾雜等，這些缺陷對材料的性能有著至關(guān)重要的影響。對于這些工程實(shí)際問題，如果僅僅是通過實(shí)驗(yàn)研究分析，那么當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或者需要很長的時間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時，付出的代價(jià)是巨大的，且結(jié)果不一定理想。譬如在航空發(fā)動機(jī)熱端部件上大量用到的等離子噴涂熱障涂層材料，就含有大量的孔洞和微裂紋，這些缺陷的存在使得涂層非常容易從高溫合金基底上剝落，涂層一旦剝落，基底無法承受飛機(jī)服役時的燃?xì)鉁囟?，就會造成發(fā)動機(jī)故障，甚至導(dǎo)致飛機(jī)失事。涂層材料價(jià)比黃金，試車過程要繁瑣，通過實(shí)驗(yàn)去找材料中孔隙分布、孔隙大小、孔隙率、微裂紋長度、微裂紋分布等因素與涂層剝落區(qū)域的大小、深度的關(guān)系，無疑要浪費(fèi)大量的人力物力財(cái)力。因此對于在當(dāng)前工程技術(shù)領(lǐng)域中存在的眾多需要去分析的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要考慮包括復(fù)雜幾何形狀、復(fù)雜載荷作用等在內(nèi)的問題，采用有限元軟件對該復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析模擬是一種低成本、短周期的有效研究分析手段。
[0004]但由于當(dāng)材料含有大量微小、各式各樣的缺陷時，難以找到缺陷的數(shù)量、種類、形狀、分布等參數(shù)與材料性能之間的密切聯(lián)系，從而達(dá)到通過控制關(guān)鍵影響參數(shù)來改進(jìn)材料制備工藝的目的。而且通用有限元軟件的自身幾何建模能力非常有限，對于建立含大量缺陷的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)模型，不僅操作繁瑣復(fù)雜工作量大，并且常常難以為繼。因此，要解決這些問題，簡化材料中存在的大量缺陷，找到一種快捷方便的方法去建立含大量缺陷的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的有限元模型，是十分有必要的。目前國內(nèi)做含孔洞材料的有限元模擬的文章很多，但是建立含大量隨機(jī)分布孔洞材料的有限元模型的很少見的，建模的方法也不曾詳細(xì)描述，做含大量隨機(jī)分布孔洞與裂紋夾雜的程序代碼和有限元模型的文獻(xiàn)更是未嘗得見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法，將模型中的缺陷簡化為圓孔或縫隙，并通過數(shù)學(xué)軟件建立缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型的生成程序來生成缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型，并且將缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入至無缺陷的材料模型生成含缺陷的材料模型，最終形成具有缺陷材料的模型，解決了難以建立含大量缺陷的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)模型的問題。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法，包括以下步驟:
[0008]S1、簡化缺陷材料中的孔隙形狀，得到缺陷樣本；
[0009]S2、通過數(shù)學(xué)軟件建立所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型的生成程序；
[0010]S3、在數(shù)學(xué)軟件中運(yùn)行所述生成程序，得到缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型；
[0011]S4、在有限元建模分析軟件中建立無缺陷的材料模型，并導(dǎo)入步驟S3得到的缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型，生成含缺陷的材料模型。
[0012]進(jìn)一步地，步驟SI包括以下步驟:
[0013]利用顯微鏡獲取缺陷材料中的孔隙形狀；
[0014]將孔隙形狀中不規(guī)則的幾何形狀簡化成規(guī)則的幾何形狀，得到缺陷樣本。
[0015]進(jìn)一步地，所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型為二維數(shù)據(jù)模型或三維數(shù)據(jù)模型；
[0016]當(dāng)所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型為二維數(shù)據(jù)模型時，所述規(guī)則的幾何形狀為二維圓形孔洞或二維直線型；
[0017]當(dāng)所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型為三維數(shù)據(jù)模型時，所述規(guī)則的幾何形狀為三維球體孔洞或三維直線型裂紋。
[0018]進(jìn)一步地，步驟S4之后還包括:
[0019]S5、將所述含缺陷的材料模型導(dǎo)入有限元建模分析軟件，當(dāng)步驟S3得到的數(shù)據(jù)模型為二維模型時，將所述含缺陷的材料模型的空間參數(shù)修改為二維模式。
[0020]進(jìn)一步地，步驟S2中所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型的生成程序包括定義缺陷材料參數(shù)、定義孔隙參數(shù)和定義隨機(jī)孔隙函數(shù)。
[0021]進(jìn)一步地，所述缺陷材料參數(shù)包括:缺陷材料的形狀、尺寸；孔隙參數(shù)包括:孔隙形狀參數(shù)、孔隙尺寸參數(shù)、孔隙率和孔隙分布范圍。
[0022]進(jìn)一步地，步驟S3還包括:在數(shù)學(xué)軟件中，多次運(yùn)行所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型的生成程序，生成多個數(shù)據(jù)模型，根據(jù)缺陷材料的孔隙的分布特征，從多個數(shù)據(jù)模型中選擇與所述缺陷材料的孔隙的分布特征最接近的數(shù)據(jù)模型。
[0023]進(jìn)一步地，步驟S4還包括以下步驟:
[0024]在有限元建模分析軟件中根據(jù)缺陷材料的外形輪廓建立不含有孔隙的材料模型；
[0025]導(dǎo)入步驟S3得到的缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型，生成孔隙模型；
[0026]對所述不含有孔隙的材料模型和所述孔隙模型進(jìn)行布爾相減運(yùn)算操作，得到含缺陷的材料模型。
[0027]進(jìn)一步地，所述隨機(jī)孔隙函數(shù)在運(yùn)行后，生成孔隙的位置參數(shù)；所述位置參數(shù)包括孔隙的坐標(biāo)和孔隙間距。
[0028]進(jìn)一步地，孔隙形狀參數(shù)包括:圓孔半徑或縫隙長度；
[0029]孔隙尺寸參數(shù)包括:孔隙最大尺寸、孔隙最小尺寸；
[0030]所述孔隙率為孔隙占缺陷材料總面積的比例。
[0031]如上所述，根據(jù)本發(fā)明的建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法，是通過將缺陷材料中的孔隙簡化為圓球或直線型等簡單形狀，再通過數(shù)學(xué)軟件建立缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型的生成程序，通過生成程序生成多個缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型，通過將缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入建模軟件中，生成材料內(nèi)部含有缺陷的模型，最終將該模型導(dǎo)入有限元分析軟件中做有限元分析處理，有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中建立含有缺陷的模型操作繁瑣復(fù)雜工作量大的問題。
[0032]本發(fā)明能構(gòu)建含大量隨機(jī)圓形孔洞、直線型裂紋或者兩者缺陷并存的二維或三維材料模型，能有效結(jié)合多種軟件之間的優(yōu)點(diǎn)并克服多種軟件之間的不兼容性，大大減少了直接在有限元分析軟件中操作的工作量、降低了建模的繁瑣程度，操作簡捷，參數(shù)的可控性高，甚至能在本方法的基礎(chǔ)上發(fā)展出更多的缺陷模型。此外，因?yàn)閷⒉牧现泻械拇罅靠紫?、裂紋這種復(fù)雜缺陷簡化成了隨機(jī)分布的圓形孔洞和直線型裂紋，分離出了單一變量，在數(shù)學(xué)軟件中定義了孔隙或裂紋的分布函數(shù)、孔隙直徑、裂紋長度、孔隙率、裂紋數(shù)量等參數(shù)，因此在有限元軟件中定量研究這些參數(shù)對材料性能的影響，能為改進(jìn)材料的制備工藝提供有效參考。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明的建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法流程圖；
[0034]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一建立的含缺陷的材料模型；
[0035]圖3是本發(fā)明實(shí)施例二建立的含缺陷的材料模型；
[0036]圖4是本發(fā)明實(shí)施例三建立的含缺陷的材料模型。
【具體實(shí)施方式】
[0037]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0038]圖1是本發(fā)明的建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法流程圖。
[0039]參閱圖1所示，一種建立含缺陷的材料模型的有限元建模方法，包括以下步驟:
[0040]S1、簡化缺陷材料中的孔隙形狀，得到缺陷樣本；
[0041]該步驟中，利用顯微鏡獲取缺陷材料中的孔隙形狀；將孔隙形狀中不規(guī)則的幾何形狀簡化成規(guī)則的幾何形狀，得到缺陷樣本。顯微鏡可以是電子顯微鏡或熒光顯微鏡。
[0042]并且，所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型為二維數(shù)據(jù)模型或三維數(shù)據(jù)模型；
[0043]當(dāng)所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型為二維數(shù)據(jù)模型時，所述規(guī)則的幾何形狀可以為二維圓形孔洞或二維直線型；
[0044]當(dāng)所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型為三維數(shù)據(jù)模型時，所述規(guī)則的幾何形狀可以為三維球體孔洞或三維直線型裂紋，
[0045]S2、通過數(shù)學(xué)軟件(如Matlab、Mathematica、Maple、Scilab等)建立所述缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型的生成程序。在該步驟中，缺陷樣本的數(shù)據(jù)模型的生成程序包括定義缺陷材料參數(shù)、定義孔隙參數(shù)和定義隨機(jī)孔隙函數(shù)，通過在數(shù)學(xué)軟件中輸入缺陷材料參數(shù)、孔隙參數(shù)可以對生成程序生成的數(shù)據(jù)模型的參數(shù)進(jìn)行限定。隨機(jī)孔隙函數(shù)在運(yùn)行后，會生成孔隙的位置參數(shù)，限定孔隙在模型中的位置；所述位置參數(shù)包括孔隙的坐標(biāo)和孔隙間距。
[0046]具體的，缺陷材料參數(shù)包括:缺陷材料的形狀、尺寸；孔隙參數(shù)包括:孔隙形狀參數(shù)、孔隙尺寸參數(shù)、孔隙率和孔隙分布范圍。
[0047]孔隙形狀參數(shù)包括:圓孔半徑或縫隙長度；孔隙尺寸參數(shù)包括:孔隙最大尺寸、孔隙最小尺