三维复合材料的导热模型的构建方法、系统、终端、介质

1.本发明属于球形粒子填充基体的复合材料导热性能分析计算技术领域，尤其涉及一种三维复合材料的导热模型的构建方法、系统、终端、介质。

背景技术：

2.目前，高分子材料是已普遍应用于建筑、交通运输、农业、电气电子工业等国民经济主要领域和人们日常生活，通常高分子材料的导热系数都比较低，材料内部产生的热量会大于同时发出的热量，导致温度不断升高，进一步导致材料的分解和碳化，最终失去其原有的性能。学者们提出在聚合物基体中引入导热系数高、绝缘性好的无机填料颗粒，可以有效改善复合材料的热性能。

3.对于复合材料的导热系数的研究无论是实验研究还是模拟预测，都是从宏观或者半宏观的角度进行分析的。利用有限元模拟技术，可以根据材料所遵循的热传导方程对复合材料进行建模和计算。通过图形界面，可以从微观结构方面对材料内部传热的演化过程进行详细的拆解观察，从微观上定量分析复合材料中填料的导热机理，这对理解实验的现象有很好的帮助。但对于复合材料来说，由于形貌较为复杂，手动建立模型难以实现，因此创建一种合理且实用的脚本方法来建立模型可以帮助研究人员提高工作效率，之后研究出根据所建模型求出导热系数的方法对球形粒子增强基体复合材料的导热设计具有重要的意义。

4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5.(1)通过实验的方法研究热导率随形貌变化的时间周期较长，成本较高。

6.(2)在abaqus/cae建模过程中由于复合材料形貌较为复杂，填充粒子数较多，手动建立大量填充粒子部件难以实现。

7.(3)在abaqus/cae中无法通过手动操作使得填充粒子部件随机分布。

8.解决以上问题及缺陷的难度为：

9.(1)创造通过abaqus/cae软件模拟球形粒子填充的复合材料的导热模型的方法。

10.(2)创造通过python语言创建特定体积分数数量的球形粒子部件和基体部件的脚本。

11.(3)创造通过python语言装配所有部件，使球形粒子部件随机分布在基体中的脚本。

12.解决以上问题及缺陷的意义为：

13.提供了一种在abaqus/cae中生成随机分布的球型填充粒子的方式。

技术实现要素：

14.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三维复合材料的导热模型的构建方法、系统、终端、介质，尤其涉及一种基于abaqus三维填充复合材料的rve导热模型的构建方法及系统。

15.本发明是这样实现的，一种三维复合材料的导热模型的构建方法，包括以下步骤：

16.步骤一，利用python语言编程计算特定边长的基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并在abaqus中创建模型；

17.步骤二，利用python语言编程实现各部件的装配和装配体的随机分布；

18.步骤三，利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型；

19.步骤四，利用abaqus的step模块、load模块和mesh模块分别实现稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分；

20.步骤五，利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。

21.进一步，步骤一中，所述利用python语言编程计算特定边长的基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并在abaqus中创建模型，包括：

22.(1)定义基体rve模型的边长；

23.(2)定义圆形填料粒子的体积分数、粒径、是否应用多元填料粒子；

24.(3)通过python编程计算出需要创建的圆形粒子的部件个数；

25.(4)通过python编程创建出基体部件和对应个数的填料粒子的个数。

26.进一步，步骤一中，所述利用python编程来判断特定体积分数和特定粒径的填充粒子在特定边长的rve中需要填充的个数的计算公式如下：

[0027][0028]

其中，n为填充粒子的个数，v为基体的体积，volm为填充粒子的体积分数，vm为单个填充粒子的体积。

[0029]

进一步，步骤二中，所述利用python语言编程实现各部件的装配和装配体的随机分布，包括：

[0030]

(1)通过python编程将所有的部件进行装配成实例；

[0031]

(2)通过python编程将所有的填充粒子实例进行随机分布处理；

[0032]

(3)将每个填充粒子随机分布位置的坐标存储在数组中。

[0033]

进一步，步骤三中，所述利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型，包括：

[0034]

(1)通过abaqus/cae的assembly模块对所有的填充粒子进行合并成一个部件及实例以便整体赋予材料属性；

[0035]

(2)通过abaqus/cae的assembly模块对基体以填充粒子为切割源进行切割以防后续计算中模型出现重叠干涉的情况；

[0036]

(3)通过abaqus/cae的material模块对填充粒子部件进行材料属性的赋予；

[0037]

(4)通过abaqus/cae的material模块对基体部件进行材料属性的赋予；

[0038]

(5)通过abaqus/cae的assembly模块对整体填充粒子和基体部件进行合并，并保持边界以达到tie连接的效果。

[0039]

进一步，步骤四中，所述利用abaqus的step模块、load模块和mesh模块分别实现稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分，包括：

[0040]

(1)通过abaqus/cae的step模块创建稳态传热分析步，并设置历程输出包含hfl热

通量和nt节点温度；

[0041]

(2)通过abaqus/cae的load模块对实例添加温度边界条件，分别给予上表面温度和下表面温度，四周默认是绝热边界条件；

[0042]

(3)通过abaqus/cae的mesh模块对实例布置全局种子，并适当在填充粒子处补种较密种子；

[0043]

(4)通过abaqus/cae的mesh模块对网格类型进行设置为四面体、热传递和二次积分类型单元dc3d10。

[0044]

进一步，步骤五中，所述利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算，包括：

[0045]

(1)通过abaqus/cae的job模块保存模型，生成inp文件提交作业，使用多cpu计算以加快计算时间；

[0046]

(2)通过abaqus/cae的visualization模块提取上表面和下表面的节点在特定方向的热通量进行x/y图像绘制；

[0047]

(3)通过操作对上下表面的节点的热通量进行平均处理得到上下表面的平均热通量；

[0048]

(4)通过abaqus/cae的visualization模块提取上表面和下表面的节点温度进行x/y图像绘制；

[0049]

(5)通过操作x/y数据通过解析公式进行导热系数的计算，特定方向上的材料导热系数的计算公式如下：

[0050][0051]

其中，λ为特定方向的导热系数，q为特定方向的热通量、数值为上表面和下表面的平均热通量的平均值，d为特定方向上下表面的距离，t

d

为特定方向上下表面的温度差。

[0052]

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的三维复合材料的导热模型的构建方法的三维复合材料的导热模型的构建系统，所述三维复合材料的导热模型的构建系统包括：

[0053]

球形填料粒子数计算模块，用于利用python语言编程计算特定边长的基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并在abaqus中创建模型；

[0054]

部件装配模块，用于利用python语言编程实现各部件的装配和装配体的随机分布；

[0055]

材料模型构建模块，用于利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型；

[0056]

稳态传热分析步创立模块，用于利用abaqus的step模块实现稳态传热分析步的创立；

[0057]

温度边界条件施加模块，用于利用load模块实现温度边界条件的施加；

[0058]

网格划分模块，用于利用mesh模块实现网格的划分；

[0059]

总体导热系数计算模块，用于利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。

[0060]

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理

器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

[0061]

利用python语言编程计算特定边长的基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并在abaqus中创建模型；利用python语言编程实现各部件的装配和装配体的随机分布；利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型；利用abaqus的step模块、load模块和mesh模块分别实现稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分；利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。

[0062]

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的三维复合材料的导热模型的构建系统。

[0063]

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的三维复合材料的导热模型的构建方法，在前处理阶段可以根据用户输入的粒径、体积分数、基体边长自动建立出球形粒子增强基体复合材料，并提出适合模拟导热的边界条件、网格划分、材料属性等，方便研究人员的研究。在后处理阶段提出计算复合材料热导率的计算公式，并指出具体操作步骤。

[0064]

本发明将python编程建模算法与abaqus后处理分析结合在一起创造了一种计算球形粒子填充rve基体复合材料的导热系数的方法。该方法解决了此类工程种建模困难的问题，提供了一种简洁高效的建模方式，并提供了一种复合材料导热系数的计算建模过程，根据此方法计算出的导热系数和实验所得导热系数高度匹配，证明了该方法该模型的正确性。本发明可以运用到任何球形粒子材料填充基体的导热数据模拟中，为复合材料细观结构导热研究的开展提供了快捷高效的研究方法。

[0065]

本发明通过python脚本编程实现了球形填充粒子在基体rve中的随机分布，且可以面向对象根据对象输入的球形粒子的粒径、体积分数和基体的边长建立模型，且可以选择不同粒子的球形粒子同时填充，一键运行脚本即可生成模型。该模型应用了abaqus热传递的模型，为填充复合材料热导率的模拟研究提供了一种更加便利的方式。

[0066]

本发明计算复合材料导热系数的过程全程使用abaqus软件，不需借助其他软件工具即可计算出最终结果，简洁高效。同时，本发明方法计算的复合材料导热系数与实验结果吻合性高，仿真结果形象、直观、准确、可信度高，可以得到实验中较难得到的局部热通量数据，可对加工结果进行预测指导。

附图说明

[0067]

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0068]

图1是本发明实施例提供的三维复合材料的导热模型的构建方法流程图。

[0069]

图2是本发明实施例提供的三维复合材料的导热模型的构建方法原理图。

[0070]

图3是本发明实施例提供的三维复合材料的导热模型的构建系统结构框图；

[0071]

图中：1、球形填料粒子数计算模块；2、部件装配模块；3、材料模型构建模块；4、稳

态传热分析步创立模块；5、温度边界条件施加模块；6、网格划分模块；7、总体导热系数计算模块。

[0072]

图4是本发明实施例部件建立脚本的运行结果图。

[0073]

图5(a)是本发明实施例球型粒子实例随机分布效果图。

[0074]

图5(b)是本发明实施例球型实例装配效果图。

[0075]

图6(a)是本发明实施例球形粒子实例合并操作图。

[0076]

图6(b)是本发明实施例球形粒子实例合并效果图。

[0077]

图7是本发明实施例基体切割球型粒子实例效果图。

[0078]

图8是本发明实施例材料属性赋予图。

[0079]

图9(a)是本发明实施例稳态分析步建立图。

[0080]

图9(b)是本发明实施例场输出建立图。

[0081]

图10是本发明实施例温度边界条件施加图。

[0082]

图11是本发明实施例网格划分效果图。

[0083]

图12是本发明实施例热通量剖面云图。

[0084]

图13是本发明实施例透明云图。

[0085]

图14是本发明实施例计算的复合材料导热系数的xy折线图。

具体实施方式

[0086]

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0087]

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三维复合材料的导热模型的构建方法及系统，下面结合附图和实施例对本发明作详细的描述。

[0088]

实施例：研究氧化铝粒子填充环氧树脂基体的复合材料的热导率随粒径和体积分数的变化。

[0089]

如图1所示，本发明实施例提供的三维复合材料的导热模型的构建方法包括以下步骤：

[0090]

s101，利用python语言编程计算特定边长的环氧树脂rve模型、特定体积分数与特定粒径下的氧化铝填料粒子的个数，并在abaqus中创建氧化铝粒子和环氧树脂对应的rve部件；

[0091]

s102，利用python语言编写实现各部件的装配和装配体的随机分布的脚本；

[0092]

s103，利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型；

[0093]

s104，利用abaqus的step模块、load模块和mesh模块分别实现稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分；

[0094]

s105，利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。

[0095]

本发明实施例提供的三维复合材料的导热模型的构建方法原理图见图2。

[0096]

如图3所示，本发明实施例提供的三维复合材料的导热模型的构建系统，包括：

[0097]

氧化铝填料粒子数计算模块1，用于利用python语言编程计算特定边长的环氧树

脂基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的氧化铝填料粒子的个数，并在abaqus中创建所对应数量的部件；

[0098]

部件装配模块2，用于利用python语言编程实现各部件的装配和氧化铝装配体的随机分布；

[0099]

材料模型构建模块3，用于利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体复合材料材料的rve模型；

[0100]

稳态传热分析步创立模块4，用于利用abaqus的step模块实现稳态传热分析步的创立；

[0101]

温度边界条件施加模块5，用于利用load模块实现温度边界条件的施加；

[0102]

网格划分模块6，用于利用mesh模块实现网格的划分；

[0103]

总体导热系数计算模块7，用于利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。

[0104]

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

[0105]

本发明实施例提供的基于abaqus三维填充复合材料的rve导热模型的构建方法，将python编程建模算法与abaqus后处理分析结合在一起创造了一种计算氧化铝粒子填充rve环氧树脂基体复合材料的导热系数的方法。该方法解决了此类工程种建模困难的问题，提供了一种简洁高效的建模方式，并提供了一种氧化铝填充环氧树脂基体的复合材料导热系数的计算建模过程，根据此方法计算出的导热系数和实验所得导热系数高度匹配，证明了该方法该模型的正确性。本发明可以运用到任何球形粒子材料填充基体的热导率数据模拟中，为复合材料细观结构导热研究的开展提供了快捷高效的研究方法。

[0106]

本实施例提供了一种氧化铝粒子增强环氧树脂基体复合材料导热系数的建模方法和计算方法，该方法在前处理阶段可以根据氧化铝填充粒子的粒径，体积分数和环氧树脂基体的边长建立rve氧化铝球形粒子随机分布的模型，在后处理阶段可以根据abaqus软件包的热传递模型计算出复合材料的导热系数。实现流程如图2所示。

[0107]

为了实现上述目的，本发现采用以下的技术方案：

[0108]

本发明实施例提供的基于abaqus三维氧化铝球形粒子填充环氧树脂基体复合材料的rve导热模型的构建方法，包括步骤：

[0109]

步骤1：利用python语言编程计算特定边长的环氧树脂基体rve、特定体积分数与特定粒径下的氧化铝填料粒子的个数并在abaqus中创建对应数量的部件；

[0110]

步骤2：利用python语言编程实现各部件的装配和氧化铝粒子在环氧树脂基体装配体中的随机分布；

[0111]

步骤3：利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体复合材料模型；

[0112]

步骤4：利用abaqus的step模块、load模块和mesh模块分别为模型实现稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分；

[0113]

步骤5：利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。

[0114]

所述步骤一的具体做法是：

[0115]

(1)输入环氧树脂基体rve模型的边长；

[0116]

(2)输入圆形氧化铝填料粒子的体积分数和粒径；

[0117]

(3)通过python编程计算出需要创建的氧化铝粒子的部件个数；

[0118]

(4)通过python编程创建出对应个数的环氧树脂基体部件和氧化铝粒子部件。

[0119]

所述步骤二的具体做法是：

[0120]

(1)通过python编程将所有的部件进行装配成实例；

[0121]

(2)通过python编程将所有的填充粒子实例进行随机分布处理；

[0122]

(3)将每个填充粒子随机分布位置的坐标存储在数组中。

[0123]

所述步骤三的具体做法是：

[0124]

(1)通过abaqus/cae的assembly模块对所有的氧化铝粒子进行合并成一个部件及实例以便整体赋予材料属性；

[0125]

(2)通过abaqus/cae的assembly模块对基体以填充粒子为切割源进行切割以防后续计算中模型出现重叠干涉的情况；

[0126]

(3)通过abaqus/cae的material模块对填充粒子部件进行材料属性的赋予；

[0127]

(4)通过abaqus/cae的material模块对基体部件进行材料属性的赋予；

[0128]

(5)通过abaqus/cae的assembly模块对整体填充粒子和基体部件进行合并并保持边界以达到tie连接的效果。

[0129]

所述步骤四的具体做法是：

[0130]

(1)通过abaqus/cae的step模块创建稳态传热分析步，并设置历程输出包含hfl热通量和nt节点温度；

[0131]

(2)通过abaqus/cae的load模块对实例添加温度边界条件，分别给上表面和下表面施加温度边界，四周默认是绝热边界条件；

[0132]

(3)通过abaqus/cae的mesh模块对实例布置全局种子，可适当在填充粒子处补种较密种子以提高计算精确度；

[0133]

(4)通过abaqus/cae的mesh模块对网格类型进行设置为四面体、热传递和二次积分类型单元(dc3d10)以提高计算精度和计算准确性。

[0134]

所述步骤五中的具体做法是：

[0135]

(1)通过abaqus/cae的job模块保存模型，生成inp文件提交作业，使用多cpu计算以加快计算时间；

[0136]

(2)通过abaqus/cae的visualization模块提取上表面和下表面的节点在特定方向的热通量进行x/y图像绘制；

[0137]

(3)通过操作对上下表面的节点的热通量进行平均处理得到上下表面的平均热通量；

[0138]

(4)通过abaqus/cae的visualization模块提取上表面和下表面的节点的节点温度进行x/y图像绘制；

[0139]

(5)通过操作x/y数据通过解析公式进行导热系数的计算，特定方向上的材料导热系数的计算公式如下：

[0140][0141]

其中λ为特定方向的导热系数，q为特定方向的热通量、数值为上表面和下表面的平均热通量的平均值，d为特定方向上下表面的距离，t

d

为特定方向上下表面的温度差。

[0142]

本发明提供的基于abaqus的三维氧化铝填充环氧树脂基体复合材料的rve导热模型的构建方法，第一个目的是实现三维氧化铝球形粒子随机分布填充基体。

[0143]

为实现本实施例第一个目的，采用abaqus内置的python2.7来编写脚本。abaqus在求解器和用户界面之间使用的交互语言天然就是python，因此使用python进行abaqus二次开发。abaqus使用python写好了很多用于计算、建模、gui等操作的模块，因此使用python语言可以灵活调用这些模块，完成需要的设计计算需求。所以原则上，所有能通过abaqus/cae交互完成的操作，使用脚本都可以实现。并且由于python提供的丰富的函数资源库，会使得很多复杂的建模的过程更加参数化，更加可控，有时候甚至更加简单。

[0144]

第一步要使用python编程来判断特定体积分数和特定粒径的氧化铝填充粒子在特定边长的环氧树脂基体中需要填充的个数，计算公式如下：

[0145][0146]

其中n为氧化铝填充粒子的个数，v为环氧树脂基体的体积，volm为氧化铝填充粒子的体积分数，vm为单个氧化铝填充粒子的体积。

[0147]

建立部件的代码可以从abaqus工作目录下的npy文件中获得。代码中的输入的边长、体积分数和粒径的值必须是浮点数以防计算填充粒子个数时python默认使用地板除法对结果产生影响。使用得到的n个粒子个数循环调用n个建立粒子的部件函数，因为填充粒子的个数很多，需要注意给每个填充粒子赋予不同的变量名称，使用python的字符串相加以变量i1给每个粒子的名字编号。python实现代码如下所示：

[0148][0149]

部件建立后可以在abaqus/cae的part模块中看到对应数量的填充粒子部件和基体部件，如图4所示。

[0150]

第二步要使用python编程使所有的部件装配成实例以便操作，部件装配的代码可以从工作文件夹下的npy文件中获取，使用对应粒子数量的循环装配基体和所有的填充粒子，装配函数代码如下所示，其中变量a代表氧化铝填充粒子的数量：

[0151][0152]

装配好后可在abaqus/cae的assembly模块中看到装配好的氧化铝填充粒子和环氧树脂基体的实例。

[0153]

随后对每个氧化铝粒子实例进行随机分布，实现原理是赋予每个粒子实例一个随机的中心点坐标，这个坐标的xyz上下限都不能超过基体边长减去粒子半径以防填充粒子超出rve基体的范围，然后对粒子坐标进行干涉判断，看该粒子是否与其他粒子有相交重叠之处，如果有重叠就需要重新赋予随机坐标。为实现上述原理，需要在python中引入随机数模块库import random，令三个变量x，y，z分别赋予一个随机值，该函数可以实现在任意范围内随机赋值，括号里的参数代表分布范围为基体直径减去粒子半径、粒子半径。之后进行干涉判断，需要引入一个包含元组的列表来记录已经放置了的粒子的坐标，对需要放置的粒子全部遍历，与列表中已有的坐标进行距离判断，要使得xyz与每个粒子的距离都大于或等于粒子的粒径以保证不存在重叠，当一个随机的x，y，z坐标满足了所有的条件即可将这个随机坐标赋予填充粒子，令它移动到坐标处，并加入元组中。实现的函数代码如下所示：

[0154][0155]

上述所有的代码段仅为函数，使用时需要进行函数调用，调用代码如下所示：

[0156]

basic(bc)

[0157]

qiu(dc,nume)

[0158]

amss(nume)

[0159]

translateqiu(nume)

[0160]

因为python代码缩进量非常重要，缩进不能改变。运行时需要在abaqus/cae界面点击文件中的运行脚本运行上述代码的py文件。随机分布好的装配体如图5(b)所示，图5(a)所示为氧化铝填充粒子的随机分布形貌。

[0161]

本发明提供的基于abaqus三维填充复合材料的rve导热模型的构建方法，第二个目的是为模型赋予合适的热传递计算条件。

[0162]

为实现本实施例的第二个目的，采用abaqus/cae的各个模块来赋予实例适当的材料属性、分析步、边界条件和网格。

[0163]

第一步需要将球形粒子的所有实例装配成一个整体实例以便后续操作的便利性，进入assembly模块工具栏里的合并/切割工具，如图6(a)所示，选中所有的球形粒子实例，将所有的球形粒子合并成一个部件，合并完如图6(b)所示。

[0164]

随后点击切割，将基体实例以球形粒子为切割源进行切割以防后续重叠干涉，如图7所示。

[0165]

随后进入material模块对球形粒子部件和基体部件进行材料属性的赋予，在传热分析中需要赋予的材料属性为密度、比热和热传导率，如图8所示。

[0166]

随后进入assembly模块对切割后的基体实例和球形粒子实例进行保持边界的合并，此操作会默认边界为tie连接，若无此步abaqus计算时会默认基体和填充粒子之间无接触。

[0167]

第二步需要设置合适的分析步，进入step模块，新建分析步，因为模拟的是一个稳态的传热过程，要在分析步中设置稳态传热，如图9(a)所示，在场输出中选择hfl和nt两个选项，如图9(b)所示。

[0168]

随后赋予实例传热的边界条件，进入load模块创建边界条件，分别需要在创建的分析步中赋予上下表面一个温度，周围面不设置会默认为绝热边界条件，与环境没有热对流，如图10所示。

[0169]

随后进入mesh模块，选择布置全局种子，使用推荐的种子数，可适当在球形填充粒子处划分较密网格。选择四面体的网格，网格类型需要选择二次热传递网格以提高计算精度，之后即可划分网格，网格划分图如图11所示。

[0170]

本发明提供的基于abaqus三维填充复合材料的rve导热模型的构建方法，第三个目的是计算复合材料的导热系数。

[0171]

为实现本实施例的第三个目的，采用abaqus/cae的后处理模块处理数据，计算出复合材料的导热系数。

[0172]

在job模块提交作业，建议使用多cpu通道以提高计算效率，随后提交作业。作业计算完成后可以在visualization模块查看云图，可以点击view cut看复合材料内部的局部热通量信息，以从热流的角度了解复合材料导热机理，切割的导热云图如图12所示。也可通过设置基体的透明度来直观的观察整体rve的热通量或温度，透明云图如图13所示。

[0173]

随后需要进行数据的处理，导热系数的计算，导热系数的计算公式如下所示：

[0174][0175]

其中λ为特定方向的导热系数，q为特定方向的热通量、数值为上表面和下表面的平均热通量的平均值，d为特定方向上下表面的距离，t

d

为特定方向上下表面的温度差。点击创建xy数据，点击场数据，选中表面节点，在目标集中按角度选中上表面所有的节点，后绘制xy图像，随后点击操作xy数据，用abaqus自带的avg()函数计算所有节点的热通量的平均数保存在数据中，随后以此方法计算出下表面的平均热通量。随后使用操作xy数据对保存的数据进行运算即可得到导热系数。

[0176]

下面结合具体实验数据对发明的积极效果作进一步描述。

[0177]

对实施例的氧化铝填充环氧树脂基体复合材料的导热系数进行了计算研究，通过上述方法分别计算出10～30％的体积分数和5～10um粒径的氧化铝的填充的复合材料的导热系数，数据图如图14所示。由图14的数据图可以看出，随着体积分数的增大和粒径的增大复合材料的导热系数增加，该规律符合实验规律，且计算出的数值和实验数据基本吻合，证明了该模型和该方法的正确性。

[0178]

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0179]

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。

[0180]

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。技术特征：

1.一种三维复合材料的导热模型的构建方法，其特征在于，所述三维复合材料的导热模型的构建方法包括：利用python语言编程计算特定边长的基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并在abaqus中创建模型；利用python语言编程实现各部件的装配和装配体的随机分布；利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型；利用abaqus的step模块、load模块和mesh模块分别实现稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分；利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。2.如权利要求1所述的三维复合材料的导热模型的构建方法，其特征在于，所述利用python语言编程计算特定边长的基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并在abaqus中创建模型，包括：(1)定义基体rve模型的边长；(2)定义圆形填料粒子的体积分数、粒径、是否应用多元填料粒子；(3)通过python编程计算出需要创建的圆形粒子的部件个数；(4)通过python编程创建出基体部件和对应个数的填料粒子的个数。3.如权利要求1所述的三维复合材料的导热模型的构建方法，其特征在于，所述利用python编程来判断特定体积分数和特定粒径的填充粒子在特定边长的rve中需要填充的个数的计算公式如下：其中，n为填充粒子的个数，v为基体的体积，volm为填充粒子的体积分数，vm为单个填充粒子的体积。4.如权利要求1所述的三维复合材料的导热模型的构建方法，其特征在于，所述利用python语言编程实现各部件的装配和装配体的随机分布，包括：(1)通过python编程将所有的部件进行装配成实例；(2)通过python编程将所有的填充粒子实例进行随机分布处理；(3)将每个填充粒子随机分布位置的坐标存储在数组中。5.如权利要求1所述的三维复合材料的导热模型的构建方法，其特征在于，所述利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型，包括：(1)通过abaqus/cae的assembly模块对所有的填充粒子进行合并成一个部件及实例以便整体赋予材料属性；(2)通过abaqus/cae的assembly模块对基体以填充粒子为切割源进行切割以防后续计算中模型出现重叠干涉的情况；(3)通过abaqus/cae的material模块对填充粒子部件进行材料属性的赋予；(4)通过abaqus/cae的material模块对基体部件进行材料属性的赋予；

(5)通过abaqus/cae的assembly模块对整体填充粒子和基体部件进行合并，并保持边界以达到部件之间没有界面的效果。6.如权利要求1所述的三维复合材料的导热模型的构建方法，其特征在于，所述利用abaqus的step模块、load模块和mesh模块分别实现稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分，包括：(1)通过abaqus/cae的step模块创建稳态传热分析步，并设置历程输出包含hfl热通量和nt节点温度；(2)通过abaqus/cae的load模块对实例添加温度边界条件，分别给予上表面温度和下表面温度，四周默认是绝热边界条件；(3)通过abaqus/cae的mesh模块对实例布置全局种子，并适当在填充粒子处补种较密种子；(4)通过abaqus/cae的mesh模块对网格类型进行设置为四面体、热传递和二次积分类型单元dc3d10。7.如权利要求1所述的三维复合材料的导热模型的构建方法，其特征在于，所述利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算，包括：(1)通过abaqus/cae的job模块保存模型，生成inp文件提交作业，使用多cpu计算以加快计算时间；(2)通过abaqus/cae的visualization模块提取上表面和下表面的节点在特定方向的热通量进行x/y图像绘制；(3)通过操作对上下表面的节点的热通量进行平均处理得到上下表面的平均热通量；(4)通过abaqus/cae的visualization模块提取上表面和下表面的节点温度进行x/y图像绘制；(5)通过操作x/y数据通过解析公式进行导热系数的计算，特定方向上的材料导热系数的计算公式如下：其中，λ为特定方向的导热系数，q为特定方向的热通量、数值为上表面和下表面的平均热通量的平均值，d为特定方向上下表面的距离，t

d

为特定方向上下表面的温度差。8.一种应用如权利要求1～7任意一项所述的三维复合材料的导热模型的构建方法的三维复合材料的导热模型的构建系统，其特征在于，所述三维复合材料的导热模型的构建系统包括：球形填料粒子数计算模块，用于利用python语言编程计算特定边长的基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并在abaqus中创建模型；部件装配模块，用于利用python语言编程实现各部件的装配和装配体的随机分布；材料模型构建模块，用于利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型；稳态传热分析步创立模块，用于利用abaqus的step模块实现稳态传热分析步的创立；温度边界条件施加模块，用于利用load模块实现温度边界条件的施加；

网格划分模块，用于利用mesh模块实现网格的划分；总体导热系数计算模块，用于利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：利用python语言编程计算特定边长的基体rve模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并在abaqus中创建模型；利用python语言编程实现各部件的装配和装配体的随机分布；利用abaqus的cae界面的assembly模块、material模块实现装配体的合并切割以构建整体材料模型；利用abaqus的step模块、load模块和mesh模块分别实现稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分；利用abaqus的visualization模块实现复合材料总体导热系数的计算。10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求8所述的三维复合材料的导热模型的构建系统。

技术总结

本发明属于球形粒子填充基体的复合材料导热性能分析计算技术领域，公开了一种三维复合材料的导热模型的构建方法、系统、终端、介质，三维复合材料的导热模型的构建方法包括：计算特定边长的基体RVE模型、特定体积分数与特定粒径下的球形填料粒子的个数，并创建模型；进行各部件的装配和装配体的随机分布；进行装配体的合并切割以构建整体材料模型；分别进行稳态传热分析步的创立、温度边界条件的施加和网格的划分；计算复合材料总体导热系数。本发明计算复合材料导热系数的过程全程使用ABAQUS软件，不需借助其他软件工具即可计算出最终结果，简洁高效。本发明计算的复合材料导热系数与实际结果吻合性高，可对加工结果进行预测指导。预测指导。预测指导。

技术研发人员：魏朝阳 郭子豪 李凡珠 施德安 雷巍巍

受保护的技术使用者：湖北大学

技术研发日：2021.07.21

技术公布日：2021/9/7