连续纤维加强复合材料因为具有良好的力学性能,在工程领域中获得了重要的应用,但因为成本高,且制作有困难也限制了其广泛应用。而短纤维或颗粒加强复合材料和普通匀质材料类似,不但易于制作,而且各向同性,并针对某项具体的应用要求(如高强度、高刚度等)有很强的可设计性。因此,颗粒增强复合材料研究有着更为广泛的工程应用价值。 大量的实验和研究表明,复合材料的细观结构直接影响其宏观性能,因此复合材料的应用以及结构可靠性分析都要求准确的刻画出其微观结构。随着计算机运算速度和并行计算技术的快速发展,如今可以通过计算机的造型能力来准确的刻画出一个实际复合材料的微观结构的三维代表体元,然后进行有限元分析来实现对复合材料的力学性能的预测和研究。但是在已经开展的研究中,材料微观结构的复杂性给有限元网格模型的建立带来了难题。因此缺少准确的有限元模型,这大大地束缚了复合材料的研究与应用。 本文将CAD技术和有限元网格生成技术相结合,提出一个完整的颗粒增强复合材料三维有限元建模方法,为建立复合材料的有限元模型开辟一条有效途径。其工作的基本思路是:基于Monte-Carlo方法,随机生成复合材料的微观结构的几何模型;对该几何模型用映射法生成表面网格,获得几何模型的离散化表达;用AFT方法对该模型进行剖分,生成有限元网格。 对于颗粒呈随机分布的颗粒增强复合材料,本文在模拟其微观结构、建立其有效的几何模型时,提出了一种以体积为标度的任意两椭球骨料侵入的判别准则,有效地克服了几何合法性判断的效率瓶颈;在基于映射法的颗粒表面有限元网格生成算法中通过扫描线布点和局部连接技术较好地解决了网格极化现象;采用改进的三维AFT方法生成基体的四面体(三角形)网格,并利用AFT特性一次生成所有颗粒夹杂的四面体(三角形)网格。为进一步的复合材料细观结构和与宏观力学性能的多尺度计算打下了基础。 本文基于AutoCAD平台,采用二次开发软件包ObjectARX和编程工具Visual C++对AutoCAD作二次开发,扩充AutoCAD的类和协议,创建新的AutoCAD命令,可以便捷快速地生成复合材料三维微观结构的几何模型。