顧 政,鄭建軍,周欣竹
(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,杭州 310014)
多孔材料普遍存在于自然界中,木材、生物的骨骼以及巖石等都是天然的多孔材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了越來(lái)越多用金屬、陶瓷和高聚合物等制成的人造多孔材料[1]。這些多孔材料已廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域,它們不僅具有多種優(yōu)異的性能,而且制造工藝簡(jiǎn)單。因此,研究其力學(xué)性能具有突出的重要性。
由于多孔材料是由孔隙和固相所組成的復(fù)合體,孔結(jié)構(gòu)(如孔形狀、孔隙率和孔的連通性等)是影響宏觀彈性性能的主要因素,因而細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的定量關(guān)系成為當(dāng)前國(guó)際工程界的前沿課題之一。Voigt和Reuss分別根據(jù)等應(yīng)變和等應(yīng)力假設(shè)給出了多晶體材料體積模量和剪切模量的近似解[2],Gibson和Ashby[3]在單孔單元的基礎(chǔ)上建立模型,獲得了蜂窩多孔材料二維彈性參數(shù),即Gibson-Ashby方程,Roberts[4]研究了開(kāi)孔和閉孔泡沫的彈性性能。隨著數(shù)值方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展,有限元法被廣泛用于多孔材料的力學(xué)性能分析[5],對(duì)“代表性體積元”進(jìn)行數(shù)值求解,獲得宏觀力學(xué)性能。但對(duì)于復(fù)雜的多孔材料,不僅網(wǎng)格劃分極其困難,總剛度矩陣占據(jù)大量?jī)?nèi)存,而且總剛度方程求解花費(fèi)大量時(shí)間,以至于無(wú)法獲得滿意的數(shù)值解。為此,該文在前人工作的基礎(chǔ)上,應(yīng)用快速傅里葉變換法討論了多孔材料彈性模量的計(jì)算方法。
類(lèi)似于“代表性體積元”,可以從細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像的像素點(diǎn)上獲得結(jié)構(gòu)單元的代表性信息[6]。因而為了能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)多孔材料的彈性模量,首先應(yīng)建立多孔材料模型,作為初步嘗試,文章僅考慮二維模型。多孔材料區(qū)別于普通密實(shí)固體材料的最顯著特點(diǎn)是具有孔隙,多孔材料建模時(shí)應(yīng)著重考慮孔隙分布特點(diǎn)以及孔隙率大小。大量的試驗(yàn)研究表明[7],多孔材料中的孔隙率、孔徑分布、孔隙位置等均服從一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,如隨機(jī)分布和正態(tài)分布等。因此,建立多孔材料幾何模型的關(guān)鍵是按照一定的概率分布確定孔隙大小和位置,在數(shù)學(xué)上可以通過(guò)各種變換或抽樣來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了便于計(jì)算,該文假設(shè)孔隙為圓形,而且大小相等、互不重疊。在模擬孔隙時(shí),先選取一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形,在分布第i個(gè)半徑為R的圓孔時(shí),在正方形區(qū)域內(nèi)生成其圓心坐標(biāo)(xi,yi),如果第i個(gè)圓孔與前面已經(jīng)分布某一個(gè)或幾個(gè)圓孔重疊,則重新生成第i個(gè)圓孔的圓心坐標(biāo);如果第i個(gè)圓孔不與前面已經(jīng)分布的(i-1)個(gè)圓孔重疊,那么繼續(xù)分布第i+1個(gè)圓孔,直到達(dá)到給定的孔隙率為止。作為一個(gè)算例,設(shè)L=100mm,R=4mm,孔隙率C分別為0.1、0.3和0.5,所獲得的孔分布如圖1所示。
首先在模擬區(qū)域內(nèi)等距離選取像素點(diǎn),根據(jù)快速傅里葉變換原理,每個(gè)二維細(xì)觀結(jié)構(gòu)分布圖都包含2K×2K個(gè)像素點(diǎn),這些像素點(diǎn)各自具有力學(xué)性質(zhì),且相互獨(dú)立,計(jì)算步驟如下:
1)將圖像劃分為2K×2K個(gè)細(xì)胞單元,如圖2所示,取每個(gè)細(xì)胞單元的中心點(diǎn)為像素點(diǎn),這里稱(chēng)K為像素點(diǎn)個(gè)數(shù)指數(shù)。
2)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行判斷,如果落在孔隙內(nèi),彈性模量取為零;如果落在固相內(nèi),彈性模量取單位值,這樣所獲得的多孔材料的彈性模量為相對(duì)值。
多孔材料各點(diǎn)的彈性張量Cijkl(x)是坐標(biāo)x的函數(shù),其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示成
式中,C0ijkl為彈性張量常數(shù),τij(x)定義為
通過(guò)引入周期性格林張量Γijkl,式(1)的解可表示為[6]
對(duì)式(3)進(jìn)行傅里葉變換有
對(duì)于各向同性材料,(ξ)為[6]
式中,λ和μ為拉梅常數(shù),εi為傅里葉空間坐標(biāo)。
方程(1)~方程(4)可以通過(guò)以下迭代方法進(jìn)行求解:
1)給定初始均勻應(yīng)變?chǔ)?ij,由式(1)求得初值應(yīng)力σ0ij;
2)對(duì)于第i+1次迭代,先由(2)計(jì)算τij(x),對(duì)τij(x)進(jìn)行傅里葉變換求得^τij(ξ),再檢驗(yàn)收斂性;
3)由式(4)計(jì)算第i+1次迭代應(yīng)變,再將應(yīng)變進(jìn)行傅里葉反變換;
4)由式(1)計(jì)算應(yīng)力。
一旦迭代收斂,計(jì)算各點(diǎn)的加權(quán)應(yīng)力和加權(quán)應(yīng)變,最后獲得多孔材料的彈性模量。該文以前后兩次迭代值的相對(duì)誤差小于10-3作為收斂準(zhǔn)則。
在下面的計(jì)算中,取正方形邊長(zhǎng)為1 000mm,孔隙率C=0.2,像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為28×28個(gè),固相材料的泊松比為0.3,計(jì)算所得的相對(duì)彈性模量與孔隙個(gè)數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示,其中,虛線表示解析解[8]。從該圖可以看出,當(dāng)孔隙個(gè)數(shù)較少時(shí),彈性模量上下波動(dòng),當(dāng)孔隙數(shù)大于100時(shí),彈性模量基本趨于穩(wěn)定,這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論一致,這是因?yàn)榭紫对蕉?,材料越均勻,像素點(diǎn)所代表的結(jié)構(gòu)單元性質(zhì)越接近于真實(shí)情況。再取孔隙個(gè)數(shù)為100,相對(duì)彈性模量與像素點(diǎn)個(gè)數(shù)指數(shù)之間的關(guān)系如圖4所示。從該圖可以看出,當(dāng)K較小時(shí),彈性模量上下波動(dòng)幅度較大,隨著K的增大,結(jié)果趨于穩(wěn)定,K=10與K=11之間彈性模量的相對(duì)誤差僅為0.3%,表明該方法已經(jīng)收斂。圖4還表示,隨著像素點(diǎn)的增加,數(shù)值解與解析解越接近,這是因?yàn)殡S著像素點(diǎn)的增加,結(jié)構(gòu)單元性質(zhì)得到更細(xì)致的描述,更接近于真實(shí)情況,另一方面,由于傅里葉變換本身具有一定的誤差,當(dāng)像素點(diǎn)超過(guò)一定值后,累積誤差也會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。由圖4還可以得出,當(dāng)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為256×256時(shí),數(shù)值解與解析解最接近。
基于前面的討論,取孔隙個(gè)數(shù)為100,像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為256×256,相對(duì)彈性模量隨孔隙率變化如圖5所示。從圖5可以看出,數(shù)值解與解析解良好吻合,當(dāng)孔隙率為0.10、0.20、0.30、0.40和0.50時(shí),兩者之間的誤差分別為6.70%、1.17%、2.12%、3.36%和7.03%,其平均值為4.37%。因此,文中方法的有效性得到初步證實(shí)。
a.基于Moulinec和Suquet所提出的快速傅里葉變換法,討論了多孔材料彈性模量計(jì)算,通過(guò)與文獻(xiàn)中的解析解比較,初步證實(shí)了該數(shù)值方法的有效性。
b.定量評(píng)價(jià)了孔隙個(gè)數(shù)和像素點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)多孔材料越均勻、像素點(diǎn)個(gè)數(shù)越多,數(shù)值解越精確。
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