【摘 要】
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有限元分析被公认为研究复合材料力学性能的有效手段,作为其前端处理的网格剖分,则是其最为关键的步骤。为了获得合理而有效的网格,必须首先分析材料的细观结构,构建符合实际的材
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有限元分析被公认为研究复合材料力学性能的有效手段,作为其前端处理的网格剖分,则是其最为关键的步骤。为了获得合理而有效的网格,必须首先分析材料的细观结构,构建符合实际的材料模型,即造型。无疑,造型是有限元分析基础的基础,在有限元应用日益广泛的今天,其重要性也在与日俱增。本文围绕材料的细观结构,利用计算机模拟的方法,以可视化技术为依托,对三维机织复合材料的实体造型与网格剖分进行了深入研究。其内容如下:
提出了经纱脉络法,用于表征任意结构三维机织复合材料的预制件结构,并将单胞分解为亚胞品阵,实现了织物结构的数字化存储。
根据亚胞概念和经典截面假设构建了初始准马赛克模型,对其实施迭代算法,使复合材料的纱线形态逐步发生变化,逼近真实的细观结构,在此基础上建立了材料的三维实体模型。
研究了纱线截面的变化,探讨了截面形状的成因,分析了截面的变化规律。
探讨了迭代算法的收敛性,以数值分析的方法获得了最佳的经纬纱退让比例。
在迭代算法的基础上,初步探讨了挤紧状态下纱线的形态,对结果进行了仿真。
基于构建的三维实体模型建立了纱线空间数据场,采用树脂填充算法构建了基体空间数据场,借助VTK类库实现了数据场的可视化;采用虚纱片方法巧妙地连接了节点,划分了有限元网格,实现了网格的自动生成。
编写了有限元软件ABAQUS输入文件的生成程序,实现了造型系统与ABAQUS的接口。
研究结果表明,纱线束截面沿纱线长度方向按凹凸交变的规律呈周期性变化。这一结果修正了数十年以来主宰业界的“恒定截面假设”。研究结果同时表明,在不可能获知纱线形态数学模型的前提下,采用数值模拟的方法研究细观结构、建立材料模型是行之有效的。
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