一种颗粒增强复合材料的虚拟建模方法与流程

本发明涉及一种计算机三维虚拟建模领域，具体来说是一种颗粒增强复合材料的虚拟几何建模方法，特别是一种涉及基于abaqus平台和python语言的颗粒增强复合材料三维几何建模方法。

背景技术：

abaqus是一套功能强大的工程模拟有限元分析软件，其非线性分析、计算功能强大，可解决线性和复杂的非线性问题。由于abaqus优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，使得abaqus被各国的工业和研究中所广泛的采用。通过编写内核脚本来实现整个有限元建模过程是abaqus二次开发的途径之一。abaqus软件本身拥有良好的应用程序接口，而它是python语言的一个扩展接口。利用该接口来开发的应用程序可以创建友好的人机交互界面，进而实现对软件内核的操作。abaqus脚本接口与abaqus/cae的通信关系如图1所示。

abaqus软件包含一个基于特征的几何造型系统，在此系统模块下可以建立简单的几何模型。但其三维建模功能有限，对于复杂的三维模型一般需要借助其他cad软件建模，然后将其保存为中间格式(stp/step或igs格式)后导入abaqus软件编辑调用。这不仅要求abaqus用户兼备熟练使用cad软件的基础，也对所使用计算机的硬件配置有了更高的要求。因不同软件间的兼容性和复识别能力所限，会影响后续分析的网格划分和复杂材料三维模型的建立过程，使得几何建模更加耗时、繁琐。

技术实现要素：

为实现在abaqus软件中简便快捷的绘制颗粒增强复合材料的三维几何有限元模型，减少用户对cad软件的依赖性和必要性，降低使用计算机硬件要求，避免不同软件间兼容性和复识别能力的弊端，现对abaqus软件系统进行二次开发：运用abaqus录制的脚本代码整理编译形成python自动建模计算脚本，此脚本可直接提交abaqus内核运算，并将研究变量设置为python脚本中的函数变量，通过选择不同的体分比即可生成相应颗粒增强复合材料的几何模型。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种颗粒增强复合材料的虚拟建模方法，基于abaqus平台和python语言，包括以下步骤：

步骤(1)，材料三维几何尺寸的确定：假设在一个边长为9i的正方体内均匀分布若干球形颗粒，将9i边长分为9等分，每个分割点为一个球形颗粒重心，则一条边上均布10个球形颗粒，球形颗粒体积占整个正方体体积的百分比即为材料的体分比，设材料的体分比为ρ，通过控制球形颗粒的直径计算获得材料的体分比值的大小；

步骤(2)，在颗粒增强复合材料三维几何建模过程中，为防止颗粒重叠现象，采用虚拟格子的方法，相邻格子的公用顶点只分布一个球形颗粒，颗粒的重心即为格子顶点，在正方体中，球形颗粒即为增强相，其余部分统称为为基体；

步骤(3)，运用abaqus录制的脚本代码整理编译形成python自动建模计算脚本，将编程生成的球形颗粒按照步骤(2)的分布规则以坐标的形式输入到脚本文件中，此脚本直接提交abaqus内核运算，并将研究变量设置为python脚本中的函数变量，通过选择不同的体分比即可生成相应颗粒增强复合材料的几何模型。

所述步骤(1)中，利用超景深显微镜对颗粒增强材料形貌进行拍摄，按照材料不同体分比，每种体分比的材料选取2个区域拍摄，每个照片选取2个面积为1mm²的正方形，将其放大400倍后，进行统计，取其平均数，计算得到的球形颗粒直径，后换算成体分比ρ。

所述步骤(3)中，颗粒与基体之间以绑定的形式结合在一起。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明颗粒增强复合材料的虚拟建模方法，不依赖于abaqus之外的任何cad软件，进而无需要求用户对cad软件必备的掌握技能，大大降低了对abaqus以外软件的依赖性和必要性。

(2)abaqus软件本身对计算机的硬件配置要求很高，而一旦需要在cad软件中完成中间格式的几何建模，不但需要分出额外的内存运行cad软件，也会因为分辨率等一系列软件运行条件降低abaqus软件的运行环境，使得软件运行更为耗时。同时，借助cad软件导出的中间格式文件，也会因不同软件间兼容性和复识别能力不能完好的导入，且导入的文件越复杂占用的时间越长。

(3)本发明建模方法大大减少了用户的几何建模时间，可实现在abaqus软件中一键生成颗粒增强复合材料三维模型的功能。

(4)采用python语言编制出plug-in程序被主程序调用，以实现对局部cae的操作进行自动化建模和分析，添加的自定义开发程序可以获得更加专业的有限元建模模块。

附图说明

图1是abaqus脚本接口与abaqus/cae的通信关系。

图2是本发明的程序运行流程示意图。

图3本发明的系统原理示意图。

图4球形颗粒分布示意图。

图5高体分模型。

图6中体分模型。

图7低体分模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图2所示，本发明的颗粒增强复合材料的虚拟建模方法，基于abaqus平台和python语言，包括以下步骤：

步骤(1)，材料三维几何尺寸的确定：假设在一个边长为9i的正方体内均匀分布若干球形颗粒，将9i边长分为9等分，每个分割点为一个球形颗粒重心，则一条边上均布10个球形颗粒，球形颗粒体积占整个正方体体积的百分比即为材料的体分比，设材料的体分比为ρ，通过控制球形颗粒的直径计算获得材料的体分比值的大小；

步骤(2)，在颗粒增强复合材料三维几何建模过程中，为防止颗粒重叠现象，采用虚拟格子的方法，相邻格子的公用顶点只分布一个球形颗粒，颗粒的重心即为格子顶点，在正方体中，球形颗粒即为增强相，其余部分统称为为基体；

步骤(3)，运用abaqus录制的脚本代码整理编译形成python自动建模计算脚本，将编程生成的球形颗粒按照步骤(2)的分布规则以坐标的形式输入到脚本文件中，此脚本直接提交abaqus内核运算，并将研究变量设置为python脚本中的函数变量，通过选择不同的体分比即可生成相应颗粒增强复合材料的几何模型。

所述步骤(1)中，利用超景深显微镜对颗粒增强材料形貌进行拍摄，按照材料不同体分比，每种体分比的材料选取2个区域拍摄，每个照片选取2个面积为1mm²的正方形，将其放大400倍后，进行统计，取其平均数，计算得到的球形颗粒直径，后换算成体分比ρ。

所述步骤(3)中，颗粒与基体之间以绑定的形式结合在一起。

本发明颗粒增强复合材料的虚拟建模方法，不仅减少用户对cad软件的依赖性和必要性，降低使用计算机硬件要求，避免不同软件间兼容性和复识别能力的弊端，有更强的人机交互界面(见图3所示)，还大大减少了用户的几何建模时间，实现了在abaqus软件中一键生成颗粒增强复合材料三维模型的功能。

现以高体分比颗粒增强复合材料模型建立为例，具体说明本发明的实现过程。其具体实现步骤如下：

(1)基于abaqus平台和python语言的颗粒增强复合材料三维几何建模方法，利用超景深显微镜对颗粒增强材料形貌进行拍摄。选取体分比为62.5％的材料，选取该材料任意平面的2个区域拍摄。每个照片选取2个面积为1mm²的正方形，将其放大400倍后，进行统计，取其颗粒个数的平均数，后根据材料体分比ρ＝62.5％。计算得到的球形颗粒直径约为40μm。

(2)材料三维几何尺寸的确定：假设在一个边长为9l的正方体内均匀分布若干球形颗粒，如图4所示。将9i边长分为9等分，每个分割点为一个球形颗粒重心，则一条边上可均布10个球形颗粒，球形颗粒体积占整个正方体体积的百分比即为材料的体分比，设材料的体分比为ρ＝62.5％，可通过体分比获取球形颗粒的直径为40μm。

(3)确定球形颗粒的坐标：在颗粒增强复合材料三维几何建模过程中，采用虚拟格子的方法避免了颗粒重叠现象，(相邻)格子的(公用)顶点只分布一个球形颗粒，每个颗粒位于4个相邻边长为l×l的小正方公共顶点处，见图5所示(与之相似的图6、图7分别为中体分比、低体分比颗粒增强复合材料)，在此边长为9i的正方体中，球形颗粒即为增强相，其余部分统称为为基体。

(4)模型创建：运用abaqus录制的脚本代码整理编译形成python自动建模计算脚本，将编程生成的球形颗粒按照步骤(2)所述的分布规则以坐标的形式输入到脚本文件中，此脚本可直接提交abaqus内核运算，并将研究变量设置为python脚本中的函数变量，通过选择不同的体分比即可生成相应颗粒增强复合材料的几何模型。

(5)球形颗粒按均布坐标由编程生成，把坐标输入到软件中，完成基于abaqus的颗粒增强复合材料虚拟建模生成后的模型见图5、图6、图7。

通过以上流程可以建立基于abaqus颗粒增强复合材料的虚拟模型，实现过程的精确化和简便化模拟。本发明适用于复合材料加工工件模型的创建，为简便、精确获取工件模型提供了更加专业的人机交互方法。

综上所述，本发明提出的这种颗粒增强复合材料的虚拟建模方法，不仅可以减少对cad软件的依赖性和必要性，降低使用计算机硬件要求，避免不同软件间兼容性和复识别能力的弊端，还可以通过选择材料不同的体分比生成相应颗粒增强复合材料的几何模型。经反复验证，这种颗粒增强复合材料的虚拟建模方法不仅大大减少了用户的几何建模时间，真正实现了颗粒增强复合材料三维几何模型一键生成功能，使得颗粒增强材料的建模更专业。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明的保护范围。