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微观力学代表性体RVE元天生的三种形式

来源:千亿体育官方|app下载 发布时间:2021-10-11

  微观力学数值模拟的研究,离不开代表性体元的建立(representation volume element),良好的代表性体元的建立,可以反应微观结构所要研究的主要内容,同时也利于数值模拟分析。现阶段常用的建立RVE的方法有蒙特卡罗法、微观组织照片法与Voronoi网格法。下面将分别介绍这三种方法及其优劣势。

  蒙特卡罗法可以模拟材料微观结构的演变过程,可以真实的反应晶界动力学与热力学对于微观结构的影响。同时,蒙特卡罗法在数值模拟时无需迭代计算,能够达到与微观结构较高的相似度的同时具有较小的计算量。因此蒙特卡罗法在模拟微观组织演变方面具有较大的优势。

  蒙特卡罗法虽然在表征微观结构的同时,并反映制备烧结过程中晶界动力学与热力学对微观结构变化的影响,但在有限元计算时,需要先对计算模拟进行离散化处理,这导致在微观结构模型建立后,晶界均由一些细小折线段组成,这与实际材料的晶界微观结构有一定差异。同时,这些细小折线段在数值模拟后期对微观结构断裂行为的模拟过程中产生不利的影响。首先,这些细小的折线段会对模型的网格划分产生影响,同时,会在计算微观结构的断裂过程中断裂路径也会因为这些细小折线段独断偏转,造成断裂路径与实际断裂过程不符等影响。

  在研究材料的行为时,通常需要通过显微观察其微观结构来进行力学分析。微观照片法可以通过数字图像处理技术直接获取材料的微观组织结构,更加准确的反应微观结构中的晶体的特征信息,如晶体的大小、分布方式、晶界状态等。通过微观组织照片法直接得到的数值模拟模型,在微观断裂行为模拟中能够真实的模拟对晶体结构断裂行为的影响,并且在网格划分时,可以使用专用的软件对微观结构模型进行直接的划分。

  但是,在数字图像处理技术对材料的显微照片进行处理时,是通过像素点的灰度级别来进行特征信息获取的,因此要能够真实的反应材料的微观结构,需要显微照片具有较高的质量,同时在获取特征信息时,需逐个像素进行获取处理,因此通过微观组织照片法建立材料微观结构模型的效率相对较低,计算量也比较大。

  Vonoroi网格法是通过在平面区域上建立一组随机的离散点,再将平面区域进行划分生成Voronoi网格的方法,其离散点的建立方式与蒙特卡罗法类似。Vonoroi网格法对于材料微观结构晶体的不均匀性临近单元之间的关系均有较为真实的表征。同时,Voronoi网格法在模型建立后并不会在晶界出现细小折线段,通过网格参数的调整,可以避免在之后的有限元计算网格划分时出现问题。在对于多晶材料的研究中,Vonoroi网格法是一种既能比较真实表征材料微观组织结构,又在数值模拟计算中具有较高效率的方法,被广泛的运用于多晶材料的研究中。

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