半晶体热塑性树脂的结晶形态模拟和力学性能预测方法与流程

1.本发明属于高分子材料技术方向，具体涉及半晶体热塑性树脂的结晶形态模拟和力学性能预测方法。


背景技术：

2.半晶体热塑性树脂在工业上有越来越广泛的应用，在作为结构材料上展现了很高的潜力。当前针对其结晶动力学和球晶形态演化有很多实验探索和解析模型，然而很少见到将结晶条件与结晶后的结构和力学性能建立起高效准确的联系，无法实现对半晶体热塑性树脂材料力学性能的深入理解。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有半晶体热塑性树脂性能预测，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种半晶体热塑性树脂的结晶形态模拟和力学性能预测方法，其包括：
5.s1、基于改进的元胞自动机算法建立半晶体树脂晶体生长模型；
6.s2、基于建立的半晶体树脂晶体生长模型，利用快速傅里叶变换的方法数值模拟球晶结构的力学性能。
7.本发明进一步说明，所述步骤s1中，基于改进的元胞自动机算法建立半晶体树脂晶体生长模型的具体步骤如下：
8.将二维代表性体积单元划分像素点类型的网格，针对每个像素点，建立一个和结晶率i(t)相关的起始结晶时间
[0009][0010]
从而确定在每一个时间步中成核的像素点的位置，其中，r为一个[0,1]间的随机数，τ为弛豫时间，δx为体积单元网格的长度。
[0011]
从每一个成核点开始，逐步进行球晶的生长，每个时间步中基于某个成核点i 的球晶半径
[0012][0013]
其中，g(t)为球晶的生长速率；
[0014]
当代表性体积单元中所有的像素点均被生长的球晶覆盖时，则结晶过程结束，获得最终的树脂结晶形态。
[0015]
本发明进一步说明，所述代表性体积单元中引入宽度为ld的成核排斥区，在该区域内拒绝形成新的成核点。
[0016]
本发明进一步说明，所述步骤s2中，基于建立的半晶体树脂晶体生长模型，利用快
速傅里叶变换的方法数值模拟球晶结构的力学性能的具体步骤如下：首先基于傅里叶空间，在每个像素点上赋予均匀应变
[0017][0018]
然后进行以下迭代过程：
[0019][0020]
i为二阶单位张量。当ei的值小于10-4
时，停止迭代，结束计算过程，此时则得到最终的力场分布。
[0021]
其中，ζ为沿离散网络排列的离散波矢量，为具有如下形式的格林算子，
[0022][0023]
λ0和μ0为格林常熟。
[0024]
本发明进一步说明，所述力学性能的基本弹性方程为：
[0025][0026]
其中，c(x，φ)为每一个像素点所在位置的弹性刚度矩阵；
[0027]cijkl
＝q
ioqjpqkqqlrcopqr
，
[0028]
其中，q(φ)为一个角度张量，
[0029][0030]
本发明进一步说明，所述步骤(e)中的收敛性测试利用计算如下误差完成:
[0031][0032]
其中，
[0033][0034]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明基于快速傅里叶变换的均
质化方法和元胞自动机算法得到的半晶体球晶结构相结合，提供一种高效准确的预测半晶体树脂在不同结晶条件下的力学性能的方法，可以仅通过材料的球晶生长速率和成核速率建立起结晶后的晶体结构，并基于该预测的结构预估其力学性能，该方法成本低，操作简单，获得的数值准确，可以为材料设计提供指导。
附图说明
[0035]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0036]
图1为本发明元胞自动机法模拟球晶生长过程以及其中的成核排斥区示意图；
[0037]
图2为本发明模拟得到的树脂结晶后球晶形态图；
[0038]
图3为本发明沿y轴方向施加均匀应变下，利用快速傅里叶变换方法模拟得到的材料局部力场分布图。
具体实施方式
[0039]
以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
请参阅图1-3，本发明提供技术方案：一种半晶体热塑性树脂的结晶形态模拟和力学性能预测方法，具体步骤如下：
[0041]
s1、基于改进的元胞自动机算法建立半晶体树脂晶体生长模型，具体的，将二维代表性体积单元划分如图1所示的像素点类型的网格，针对每个像素点，建立一个和结晶率i(t)相关的起始结晶时间
[0042][0043]
从而确定在每一个时间步中成核的像素点的位置，其中，r为一个[0,1]间的随机数，τ为弛豫时间，δx为体积单元网格的长度。
[0044]
从每一个成核点开始，逐步进行球晶的生长，每个时间步中基于某个成核点i 的球晶半径
[0045][0046]
其中，g(t)为球晶的生长速率；
[0047]
当代表性体积单元中所有的像素点均被生长的球晶覆盖时，则结晶过程结束，获得最终如图2所示的树脂结晶形态，图2中，φ为组成球晶的每个片层的局部方向，即该点和核心的连线与x轴之间形成的角度，并且在本实施方式中，所述代表性体积单元中引入宽度为ld的成核排斥区，在该区域内拒绝形成新的成核点。
[0048]
s2、基于建立的半晶体树脂晶体生长模型，利用快速傅里叶变换的方法数值模拟球晶结构的力学性能，具体的，首先基于傅里叶空间，在每个像素点上赋予均匀应变
[0049][0050]
然后进行以下迭代过程：
[0051][0052]
i为二阶单位张量。当ei的值小于10-4
时，停止迭代，结束计算过程，此时则得到如图3所示的最终的力场分布。
[0053]
其中，ζ为沿离散网络排列的离散波矢量，为具有如下形式的格林算子，
[0054][0055]
λ0和μ0为格林常熟。
[0056]
其中，步骤(e)中的收敛性测试利用计算如下误差完成:
[0057][0058]
其中，
[0059][0060][0061]
上述力学性能的基本弹性方程为：
[0062][0063]
其中，c(x，φ)为每一个像素点所在位置的弹性刚度矩阵；
[0064]cijkl
＝q
ioqjpqkqqlrcopqr
，
[0065]
其中，q(φ)为一个角度张量，
[0066][0067]
本发明基于快速傅里叶变换的均质化方法和元胞自动机算法得到的半晶体球晶结构相结合，提供一种高效准确的预测半晶体树脂在不同结晶条件下的力学性能的方法，
可以仅通过材料的球晶生长速率和成核速率建立起结晶后的晶体结构，并基于该预测的结构预估其力学性能，该方法成本低，操作简单，获得的数值准确，可以为材料设计提供指导。
[0068]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0069]
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。