技术领域
[0001] 本发明涉及颗粒增强复合材料有限元建模领域，具体涉及一种高含量颗粒填充梯度结构复合材料的细观建模方法。
相关背景技术
[0002] 高含量颗粒填充复合材料通常是由刚性颗粒和聚合物粘合剂组成的颗粒复合材料，颗粒体积填充率超过80％，固体推进剂、聚合物粘结炸药、混合炸药等作为典型的高含量颗粒填充复合材料，具有优良的机械加工性能、低感度、高能量、高热力学性能与稳定性等，广泛应用于导弹战斗部装药、起爆装置、水雷等军事领域，在军用和民用上都有着广泛的用途。
[0003] 由于其刚性颗粒的体积分数超过80％，粘合剂与颗粒界面相互作用复杂，导致在生产、加工和运输过程中容易失效，研究其细观结构对其力学性能的影响尤为重要。计算机模拟为研究高含量颗粒填充复合材料的力学性能提供了一种更安全、更方便的方法，通过数值模拟技术可以更好地理解力学响应和本构关系，有限元法、相场断裂法、离散元法、和微尺度分子动力学都用于分析复合材料的力学失效仿真，有限元法比其他方法更适合复杂颗粒建模和小变形问题，更有利于通过相互关联的连续单元，结合细观和宏观多尺度分析，建立复杂结构模型，颗粒含量、颗粒分布，粒径分布等细观结构对力学性能的影响很重要，如何将有限元仿真和算法结合起来，建立复杂且可控的高含量颗粒填充复合材料细观模型，是一个亟待解决的问题。
具体实施方式
[0067] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0068] 如图1所示，一种高含量颗粒填充梯度结构复合材料的细观建模方法，包括以下步骤：
[0069] Step1：通过扫描电镜观察得到高含量颗粒填充复合材料的细观组织结构，其中，高含量颗粒填充复合材料比如为：高聚物粘结炸药，获取细观组织结构并从微观角度分析颗粒增强复合材料的实际结构，将所述颗粒形状的实际结构简化为多边形颗粒；
[0070] Step2：确定所需分析的基本多边形骨料参数，本例中多边形骨料尺寸为20μm、40‑50μm，分别对应的边数为3‑6、6‑10，图2为多边形随机颗粒生成算法，生成单个多边形骨料颗粒，具体步骤如下：
[0071] Step2‑1：输入所需的基本多边形骨料参数，包括不同粒径骨料半径和边数等参数；
[0072] Step2‑2：通过半径确定多边形的尺寸，随机旋转每一条边的角度，在满足边闭合的前提下，多边形边数满足设定条件，即可生成单个多边形骨料颗粒；
[0073] Step3：确定最终的颗粒体积分数为95％，最终生成的模型宽度为200μm，本例最终需要构建多层梯度结构模型，确定第一层高度为80μm，第二层高度为100μm，第三层高度为120μm，则全部骨料的初始区域宽度为200μm，高度为(80+100+120)/95％μm；
[0074] Step 4：重复Step2，依次生成多个多边形骨料颗粒；
[0075] Step 5：Step 2确定了骨料的粒径级配分布，计算各个粒径范围(20μm、40‑50μm)的骨料面积和，通过图3方法生成骨料库，具体包含以下步骤：
[0076] Step5‑1：输入骨料级配；
[0077] Step5‑2：获得各粒径范围骨料面积和；
[0078] Step5‑3：随机凹凸骨料算法随机生成骨料；
[0079] Step5‑4：骨料缩放实现面积修正；
[0080] Step5‑5：判断面积和是否满足要求，若为是，则进入下一步，若为否，则返回Step5‑3；
[0081] Step5‑6：输出骨料库；Step6：要求第一层投递颗粒为20μm，第二层投递颗粒粒径分布为20μm占比20％、40‑50μm占比80％，第三层投递颗粒为40‑50μm，通过随机颗粒投递算法(图4)将不同粒径的骨料随机投递到所设定的初始区域中，完成所有骨料颗粒的投放，具体包含以下步骤：
[0082] Step6‑1：输入骨料库和分层信息；
[0083] Step6‑2：挑选出单层的级配和几何位置信息；
[0084] Step6‑3：从大到小投放骨料，随机挑选空单元的几何中心进行投放；
[0085] Step6‑4：骨料投放初始旋转角度为0度；
[0086] Step6‑5：判断是否投递成功，若成功，则进入Step6‑7，若不成功，则进入Step6‑6；
[0087] Step6‑6：旋转是否超过360度，若为是，则返回Step6‑3，若为否，则旋转角度增加45度，并再返回Step6‑4；
[0088] Step6‑7：完成骨料投递，投递完成的示意图为图5；
[0089] Step7：将所有骨料在Step6投递好的初始区域边界施加刚性箱体与盖板，骨料会被封闭在箱体与盖板之中，上、下盖板设定位移边界条件分别向下和向上压缩，左右箱体保持固定，如图6所示，利用Abaqus显示动力学求解器进行有限元计算模拟，直到上、下盖板的距离等于最终基体模型高度300μm，计算完成，得到沉降后的基体模型；
[0090] Step8：由于多边形颗粒经过挤压，相邻边界会有重叠，提取沉降压缩后的骨料颗粒的边界，通过边界节点融合算法，如图7，重叠的边界变成同一边界，得到最终的高含量颗粒填充梯度结构模型，具体步骤如下：
[0091] Step8‑1：获取全部节点的坐标和位移信息；
[0092] Step8‑2：筛选出边界节点；
[0093] Step8‑3：分类获得不同颗粒的边界节点；
[0094] Step8‑4：节点排序获得颗粒外边界的节点链条信息；
[0095] Step8‑5：依次遍历所有节点链条信息；
[0096] Step8‑6：将选中的A链条与其周边B链条进行比较；
[0097] Step8‑7：遍历B链条上所有节点，获得与A链条最小距离；
[0098] Step8‑8：设定一个阈值，阈值的取值小于模型中的最小骨料尺寸，判断距离是否小于阈值，若为是，则进入下一步，若为否，则返回Step8‑7；
[0099] Step8‑9：将遍历的B链条节点融合到A链条最近节点上；
[0100] Step8‑10：B链条节点是否全部遍历，若为是，则进入下一步，若为否，则返回Step8‑7；
[0101] Step8‑11：B链条是否全部遍历，若为是，则进入下一步，若为否，则返回Step8‑6；
[0102] Step8‑12：A链条是否全部遍历，若为是，则节点合融合完成，若为否，则返回Step8‑5；
[0103] Step9：Step8边界融合后所得最终的高含量颗粒填充梯度结构模型如图8所示，实现了颗粒的多层梯度分布，对其施加一定的载荷条件进行模拟计算，可分析其力学性能，高含量颗粒填充梯度结构模型基于Python语言算法结合Abaqus二次开发实现。
[0104] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
