预报纤维增强复合材料有效热导率的随机微结构胞元模型

发展了能预报复合材料有效性质的随机微结构胞元模型以预测单向纤维增强复合材料横向热导率。研究了能反映宏观有效性质的模型最小化问题,探讨了微结构影响宏观有效热传导性能的机制。结果表明:通过对模型指定周期边界条件并且以多个合适的小规模模型计算的平均值取代大模型计算,可大大改进收敛性并提高计算效率,从10×10个到30×30个子胞的模型,所得有效热导率计算结果的最大相对变化量仅为0.6%。不同纤维排列引起热流穿过热阻大的基体的路径长度改变,造成有效热导率不同;纤维热导率远大于基体热导率时,纤维随机分布造成纤维偏聚,部分纤维接触形成'热流通道',使得有效热导率增大,揭示了某一体积分数下有效热导率急剧增加是由'热流通道'贯通引起。与实验结果的比较说明了微结构随机性研究的必要性和本文工作的实用价值。

尺度关联的微结构构型与排布的材料/结构动力学设计

考虑微观尺度和宏观尺度的关联,将微结构胞元设计和多尺度均匀化设计结合,建立了由相同尺寸和内部构型的微结构胞元组成的复合材料结构的材料/结构一体化动力学优化设计方法,给出了相应的算例。方法中引入了微观和宏观两个尺度上的独立密度变量,采用材料属性的合理近似模型对密度进行惩罚,利用有限元超单元技术建立材料与结构的联系。基于算例获得了超单元尺寸与微观、宏观材料用量对结构拓扑构型的影响规律。将算例结果与已有方法的结果比较,表明本文方法具有合理有效性,可作为对轻质结构进行动力学设计的一种新方法。