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Acta Mechanica Solida Sinica 2022年第6期35卷 1055-1067页

作者： Jianfei Li Rui Zhang Ran Guo Guohua Li Faculty of Civil Engineering and Mechanics Kunming University of Science and TechnologyKunming650000China

This paper derives the complementary energy functional based on the Voronoi element of particle-reinforced composites containing interphases to compute the interfacial debonding and thermal stress.When calculating interfacial debonding stress,it is assumed that the surface force is zero at the interface where debonding occurs,and a new modified complementary energy functional is derived with this boundary condition.When considering the thermal stress due to temperature change,the thermal strain is introduced into the complementary energy functional,and the thermal stress is then calculated.According to the derived formula,a Fortran program named Voronoi cell finite element model(vcfem)is written.The interfacial debonding and thermal stress is calculated using both vcfem and the finite element software MARC,and the calculation results are compared.It shows that the calculation results of the vcfem are roughly comparable to those of the MARC,verifying the effectiveness of the vcfem.

关键词： Voronoi vcfem Interphase Interfacial debonding Thermal stress

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vcfem法与有限元法混合计算的数值模拟

VCFEM法与有限元法混合计算的数值模拟

作者：徐佳丽昆明理工大学

学位级别：硕士

颗粒增强复合材料作为一种具有优越力学性能并具有较好的二次加工性能的先进结构材料,引起了人们对其的关注,在许多领域,如机械,生物,航天,兵器,汽车等制造业都得到了广泛的应用。随着科技的发展和进步,国内外对颗粒增强复合材料也进行... 详细信息

颗粒增强复合材料作为一种具有优越力学性能并具有较好的二次加工性能的先进结构材料,引起了人们对其的关注,在许多领域,如机械,生物,航天,兵器,汽车等制造业都得到了广泛的应用。随着科技的发展和进步,国内外对颗粒增强复合材料也进行了大量的研究和数值模拟,由于颗粒增强体的加入使得材料的力学性能有明显的提高,但同时也引出了断裂性能疲劳特性下降的一些问题,因此,本文在基于vcfem法对颗粒复合增强材料的研究上引入传统有限元计算方法,二者混合计算来更好的分析模拟受复合材料的力学性能。本文的主要内容包括：一、根据边界连续性将voronoi单元与普通有限元四节点等参单元混合应用,划分颗粒增强复合材料的网格,并编写相应的网格选判及生成程序,应用在任意夹杂、任意分布的颗粒材料中,更好的观察增强体大小,形状,分布对材料力学的影响。二、对vcfem法的原有程序进行改进,加入普通四节点等参元的单刚,应力,应变求解程序,以及与voronoi单元在总刚上的组集程序,并修改了相应画图程序,实现两种单元在同一构件上共同应用时的应力应变图的展示。修改了原有数据的存储方程,对程序进行了简化,最终通过vcfem法与有限元法的混合计算得到颗粒增强复合材料的裂纹扩展特性。三、建立相关不同计算模型,分析构件在不同颗粒分布,不同颗粒大小,不同夹杂数量等情况下的力学性能,对两种单元的混合程序计算做了充分的验证,也通过传统有限元软件进行了验证。

关键词：颗粒增强复合材料 vcfem 有限元法混合计算

vcfem在颗粒增强复合材料大规模数值计算中的应用

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VCFEM在颗粒增强复合材料大规模数值计算中的应用

作者：张广杰昆明理工大学

学位级别：硕士

颗粒增强复合材料作为一种新型的复合材料,因其具有优良的力学性能,广泛地应用于航空航天、机械、生物、军工、核能、土木等重要的工业领域。在颗粒增强复合材料中由于在基体中引入增强颗粒,增强体与基体二者可以协同工作,因而构件的整... 详细信息

颗粒增强复合材料作为一种新型的复合材料,因其具有优良的力学性能,广泛地应用于航空航天、机械、生物、军工、核能、土木等重要的工业领域。在颗粒增强复合材料中由于在基体中引入增强颗粒,增强体与基体二者可以协同工作,因而构件的整体力学性能得到显著的提升。然而,颗粒增强复合材料的宏观力学特性受其细观力学性能的影响比较显著。如颗粒的大小、形状、空间分布、界面粘结强度等。如何正确的反应颗粒增强复合材料的宏观性能与细观力学性能之间的关系一直是计算力学的主要课题之一。本文的工作包括：一、基于逐点插入法,提出了一种能够生成大规模夹杂,适应于任意几何形状,可以考虑夹杂生成的随机性、体积比、方向角、高宽比等因素的Voronoi网格生成算法,并且编写了相关的网格生成程序。该部分可作为vcfem有限单元法的前处理程序二、改进了vcfem法的原有程序,使其由原来只能计算少量的夹杂发展到能够进行大规模颗粒的模拟计算。分析了原有程序的热点,并提出了相关的改进方案,显著的提高了程序的执行效率,对原代码进行了简单的优化,对相应的程序段进行了并行化处理,最终使其适应大规模的数值模拟。三、建立相关的计算模型,在细观力学分析的基础上,模拟颗粒增强复合材料宏观的一些力学性能,并与传统的有限元计算结果进行对比分析。分析影响其宏观力学性能的细观因素。四、评估了颗粒的细观形态、分布状况、界面粘结强度等因素对于颗粒增强复合材料的整体性能的影响。

关键词：颗粒增强复合材料 OpenMp 界面裂纹 vcfem 宏细观

基于vcfem的聚合物基复合材料弹塑性数值模拟

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基于VCFEM的聚合物基复合材料弹塑性数值模拟

作者：杨坤郑州大学

学位级别：硕士

聚合物基复合材料由于其良好的力学性能,在国民经济和国防建设中得到了广泛的应用。由于异相材料的加入,聚合物基颗粒增强复合材料的力学性能发生了显著的变化,如何根据细观结构预测材料的宏观力学性能是一项重要的工作。渐进均匀... 详细信息

聚合物基复合材料由于其良好的力学性能,在国民经济和国防建设中得到了广泛的应用。由于异相材料的加入,聚合物基颗粒增强复合材料的力学性能发生了显著的变化,如何根据细观结构预测材料的宏观力学性能是一项重要的工作。渐进均匀化理论为分析和预测复合材料力学性能提供了重要手段,它可以把细观和宏观两种尺度有机结合起来,从而得到宏观尺度上的有效性能参数以及细观尺度上的应力场和应变场。vcfem方法能准确描述复合材料微结构的大小、形状以及空间分布的随机性,可以构造出一个任意形状的基元来作为宏观结构不同点处微结构特征的代表性材料单元。本文将vcfem方法和渐进均匀化方法结合起来,从宏观和细观两个尺度分析和预测聚合物基颗粒增强复合材料的弹塑性能。在细观尺度,采用Voronoi元胞来表征细观结构,对线性增强弹塑性基体或夹杂材料,基于余能泛函建立了非线性求解方程,并利用增量有限元法进行迭代求解,从而得到了细观应力、应变场以及均匀化的宏观性能参数。在宏观尺度,将细观分析得到的弹塑性参数输入ANSYS软件进行宏观结构的力学分析。基于上述理论和方法,采用Visual C++开发了细观场弹塑性分析模块。利用该程序进行了下列数值模拟： 1.计算了代表性材料单元在不同受力和变形条件下的弹塑性能参数,并与文献进行了比较,验证了程序的有效性和正确性。 2.采用文献提供的参数,计算了不同体积分数下硼颗粒增强复合材料的等效弹塑性参数,其计算结果与文献基本吻合。 3.计算了二氧化硅颗粒增强环氧树脂复合材料的等效弹塑性常数。对该复合材料构成的宏观构件进行了弹塑性力学分析,求得了结构的变形场。

关键词： vcfem 渐进均匀化理论弹塑性力学聚合物基复合材料多尺度细观力学

基于二维vcfem的固体推进剂等效模量细观力学计算方法研究

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基于二维VCFEM的固体推进剂等效模量细观力学计算方法研究

作者：李晶钰国防科学技术大学

学位级别：硕士

固体推进剂是典型的颗粒增强复合材料,其主要成分包括氧化剂颗粒、燃烧剂颗粒和粘合剂基体。固体推进剂的力学性能主要由其组分材料及其细观结构决定,准确预估固体推进剂的力学性能对固体发动机药柱结构完整性分析和贮存寿命预估具有重... 详细信息

固体推进剂是典型的颗粒增强复合材料,其主要成分包括氧化剂颗粒、燃烧剂颗粒和粘合剂基体。固体推进剂的力学性能主要由其组分材料及其细观结构决定,准确预估固体推进剂的力学性能对固体发动机药柱结构完整性分析和贮存寿命预估具有重要意义。目前,细观有限元方法成为预估复合材料有效性能的一种重要手段,本文将Voronoi细胞有限单元法(vcfem)用于推进剂等效模量等力学性能参数的预估,研究了组分材料参数、填充比、载荷大小对推进剂代表性体积单元(RVE)等效弹性模量和等效泊松比的影响规律。主要研究内容如下:基于弹性vcfem,建立了固体推进剂RVE模型的有限元列式。基于杂交应力元的基本原理,通过对余能泛函进行修正,得到了含夹杂Voronoi单元的余能泛函,进而推导了含夹杂Voronoi单元的单元格式,并做了刚体位移抑制以及自由度凝聚处理,最后得到了有限元控制方程。制定了适用于固体推进剂等效模量预估的vcfem程序设计规范并验证了程序的正确性。从功能、开发环境、模块组成等方面对vcfem程序进行了概要设计,根据Fortran语言特点,制定了程序编写规范,在此基础上,编写了固体推进剂RVE模型的二维弹性vcfem有限元计算程序,利用文献结果和商业有限元数值仿真方法对本文程序进行了正确性检验。基于二维vcfem程序和细观力学均匀化理论,建立了推进剂等效弹性模量和等效泊松比的计算模型。利用细观力学均匀化思想,推导了应力均匀化以及应变均匀化计算公式,在此基础上,进一步得到了固体推进剂等效弹性模量和等效泊松比的计算公式。构建了固体推进剂的二维弹性RVE模型,研究了载荷大小、基体材料参数、颗粒分布以及填充比等因素对推进剂等效弹性模量和等效泊松比的影响。研究表明,随着夹杂体分比增大,推进剂的等效力学性能趋近夹杂的力学性能,等效弹性模量加速增大,等效泊松比有所减小,而AP与Al体积比例变化对等效力学性能并没有发生明显影响;等效模量和等效泊松比与基体模量分别呈正相关关系和负相关关系;等效模量随基体泊松比增加再小幅度范围内呈下降后上升的趋势,等效泊松比近似呈线性上升趋势。虽然本文的研究工作尚处于起步阶段,但相信随着研究的深入,本文方法可以开辟固体推进剂有效性能预估的一条新途径,可以加快高性能固体推进剂的研制进程,推动与固体推进剂相关武器装备的快速发展。

关键词：固体推进剂细观力学 vcfem 等效弹性模量等效泊松比

基于数字图像处理技术的Voronoi单元夹杂信息的研究

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基于数字图像处理技术的Voronoi单元夹杂信息的研究

作者：姚杨勇昆明理工大学

学位级别：硕士

颗粒增强复合材料因其具有诸多优良的力学性能,广泛地应用于航空航天、汽车、生物、军工、核能等重要的工业领域。在颗粒增强复合材料中,增强颗粒的加入改善了材料的性能,但同时也导致了材料的断裂和疲劳特性的下降。而这两方面的作用... 详细信息

颗粒增强复合材料因其具有诸多优良的力学性能,广泛地应用于航空航天、汽车、生物、军工、核能等重要的工业领域。在颗粒增强复合材料中,增强颗粒的加入改善了材料的性能,但同时也导致了材料的断裂和疲劳特性的下降。而这两方面的作用均依赖夹杂、空洞等第二相微观结构的大小、形状和空间分布等。本文利用数字图像处理技术来识别颗粒增强复合材料中增强颗粒的信息,并将识别得到的夹杂信息读入主程序,在验证识别信息的准确性后,在基于Ghosh提出的vcfem上再使用均匀化方法将细观尺度和宏观尺度结合起来,从而得到细观尺度上的应力应变场和宏观尺度上的有效性能参数,并对比试验结果以验证方法的有效性。本文的主要工作如下:(1)利用数字图像处理技术,编写了能够识别颗粒增强复合材料夹杂信息的程序,并读入inclusion.txt。(2)修改了原有程序中Voronoi单元夹杂信息随机给定及绘图部分。(3)以PRMMCs-SiCp/AZ91D镁基复合材料为研究对象,基于其真实微观结构,以vcfem模拟计算为手段,研究复合材料中夹杂分布、夹杂体积比和夹杂位向等颗粒微结构形态特征对复合材料准静态力学行为的影响。(4)对本文的研究内容及应用所存在的问题进行了总结,并对本文所用方法的深入研究进行了展望。

关键词：颗粒增强复合材料数字图像处理技术 vcfem 夹杂信息均匀化方法

颗粒增强复合材料Voronoi单元法整体应力场的研究分析

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中国水运（下半月） 2020年第1期20卷 262-264页

作者：李越郭然昆明理工大学建筑工程学院云南昆明650500

颗粒增强复合材料是一种新型的复合材料,因其优越的力学性能,与原组成材料相比有显著的提高,具有良好的抗疲劳性能,因此被广泛应用于建筑、国防和军事等多个重要领域。通过建立颗粒增强复合材料数值分析模型,对颗粒增强复合材料进行数... 详细信息

颗粒增强复合材料是一种新型的复合材料,因其优越的力学性能,与原组成材料相比有显著的提高,具有良好的抗疲劳性能,因此被广泛应用于建筑、国防和军事等多个重要领域。通过建立颗粒增强复合材料数值分析模型,对颗粒增强复合材料进行数值模拟计算,采用Voronoi单元法和普通有限元法Marc软件对比分析,该算法的数值模拟计算结果具有较好的准确性,Voronoi网格能够体现颗粒的细观形态以及颗粒的分布情况,每一个夹杂即为一个Voronoi单元,从而得到颗粒增强复合材料Voronoi单元法数值模拟和夹杂空间随机分布对整体应力场的影响。

关键词：颗粒增强复合材料 vcfem Voronoi单元法夹杂空间随机分布应力场