(12)發(fā)明專(zhuān)利(65)同一申請(qǐng)的已公布的文獻(xiàn)號(hào)(43)申請(qǐng)公布日2023.12.22(73)專(zhuān)利權(quán)人西安理工大學(xué)地址710048陜西省西安市碑林區(qū)金花南路5號(hào)專(zhuān)利權(quán)人南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司(72)發(fā)明人王闖姜怡悅楊新發(fā)王越昊張恒星關(guān)雨新陳馳卜越張?jiān)谇貜堃莘擦_兵傅明利賈磊陳喜鵬侯帥惠寶軍(74)專(zhuān)利代理機(jī)構(gòu)西安弘理專(zhuān)利事務(wù)所61214專(zhuān)利代理師徐瑤WO2022068158A1,2022.04.07審查員申冰冰(54)發(fā)明名稱(chēng)基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法本發(fā)明公開(kāi)基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，具體為：步驟1)建立環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟2)步驟1得到的交聯(lián)模型進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；步驟3)得到修正后的分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟4)通過(guò)在修正后分子動(dòng)力學(xué)模型中設(shè)置不同目標(biāo)交聯(lián)度，采用步驟2)中方法求取不同交聯(lián)度下的熱、力學(xué)參數(shù)，并以環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料溫度和固化度這兩個(gè)固化參數(shù)擬合熱、力學(xué)計(jì)算曲線；5)搭建多物理場(chǎng)有限元仿真模型；6)仿真可計(jì)算環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料內(nèi)部模擬結(jié)合有限元分析手段對(duì)金屬與樹(shù)脂基絕緣一一,國(guó)料種應(yīng)力變形模塊國(guó)料種應(yīng)力變形模塊21.基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，其特征在于，具體為：步驟1)采用MaterialStudio軟件建立環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟2)使用MS軟件中的Forcite模塊對(duì)步驟1得到的交聯(lián)模型進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；步驟3)修正步驟1)中的分子動(dòng)力學(xué)模型，得到修正后的分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟4)通過(guò)在修正后分子動(dòng)力學(xué)模型中設(shè)置不同目標(biāo)交聯(lián)度，采用步驟2)中方法求取不同交聯(lián)度下的熱、力學(xué)參數(shù)，并以環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料溫度和固化度這兩個(gè)固化參數(shù)擬合熱、力學(xué)計(jì)算曲線；5)搭建多物理場(chǎng)有限元仿真模型，具體包括傳熱固化模塊、流動(dòng)壓實(shí)模塊和應(yīng)力應(yīng)變模塊；6)仿真計(jì)算環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料內(nèi)部溫度、固化度、應(yīng)力、應(yīng)變分布；對(duì)修正后分子動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行交聯(lián)度計(jì)算，直至輸出界面應(yīng)力最小值；步驟1具體為：步驟1.1)采用MaterialStudio軟件中的非晶細(xì)胞工具構(gòu)建3D盒結(jié)構(gòu)；最初在低密度下創(chuàng)建分子動(dòng)力學(xué)模型，并使用共軛梯度法通過(guò)能量最小化來(lái)松弛，然后使用等溫和等容MD模擬進(jìn)行幾何優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)弛豫，得到能量最低的分子動(dòng)力學(xué)模型；最后在大氣壓下進(jìn)行等壓MD模擬以獲得密度和分子排布最接近實(shí)際分布的構(gòu)型，從而在化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始之前使初始混合物完全平衡，基于上述操作得到了未固化的環(huán)氧樹(shù)脂-固化劑無(wú)定型晶胞結(jié)構(gòu)模步驟1.2)交聯(lián)過(guò)程：使用Perl編程語(yǔ)言進(jìn)行MD模擬，設(shè)定交聯(lián)反應(yīng)溫度、交聯(lián)距離、環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的目標(biāo)交聯(lián)密度；未固化的環(huán)氧樹(shù)脂-固化劑無(wú)定型晶胞結(jié)構(gòu)模型在NPT系統(tǒng)下平衡，并且重復(fù)化學(xué)反應(yīng)的循環(huán)，然后進(jìn)行熱化，直到獲得所需的固化度；其中模擬力場(chǎng)為COMPASSⅡ力場(chǎng)，溫控算法為Andersen,壓控算法為Berendsen,靜電相互作用基于Ewald方法和Atombased方法，模擬精度為Medium;步驟1.3)退火過(guò)程：將1.2)中具有不同固化度的模型進(jìn)行退火處理，以得到進(jìn)行熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算的最終交聯(lián)模型。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，其特征在于，步驟2具體為：步驟2.1)通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)降溫模擬即可求得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,具體為：使用Perl語(yǔ)言編寫(xiě)腳本，將步驟1得到的模型升溫，并進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)降溫，逐步冷卻；在每個(gè)溫度點(diǎn)，均對(duì)模型交替進(jìn)行NPT/NVT分子動(dòng)力學(xué)模擬；總共進(jìn)行多輪模擬，使用每個(gè)溫度下模型密度的平均值來(lái)確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T;環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T是根據(jù)恒壓冷卻過(guò)程中密度-溫度關(guān)系斜率的變化計(jì)算得出的；步驟2.2)本文采用NEMD法計(jì)算熱導(dǎo)率；具體為：首先對(duì)步驟1得到的模型在NVT系統(tǒng)下運(yùn)行，之后撤銷(xiāo)掉NVT整體熱浴，在NVE系綜下進(jìn)行局部熱浴運(yùn)行，將步驟1最終得到的模型沿x軸分成多塊區(qū)域，在左右兩側(cè)邊界分別取2兩塊區(qū)域進(jìn)行固定，作為固定層，左側(cè)緊貼著固定層的區(qū)域設(shè)置為熱匯，右側(cè)緊貼固定層區(qū)域設(shè)為熱源，使用朗之萬(wàn)熱浴設(shè)置熱源、熱匯的溫度值，這樣從熱源到熱匯不斷地進(jìn)行能量交換，最終到達(dá)溫度梯度的平衡穩(wěn)定，對(duì)溫度分布進(jìn)行線性擬合，得到溫度梯度，然后基于傅里葉定律可得熱導(dǎo)率；比熱容根據(jù)式(1)來(lái)計(jì)算：33.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，其特征步驟3.1)熱、力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量：導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容比熱容；瑞士梅特勒DSC822的差示掃描量熱儀測(cè)試環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；通過(guò)QL-300G/QL-300S密度測(cè)試步驟3.2)經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式修正：比熱容的計(jì)算需考慮量子效應(yīng)，即通過(guò)速度自相關(guān)4步驟3.3)通過(guò)步驟3.1)得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與步驟2)得到的分子動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算比較，采用經(jīng)驗(yàn)公式修正分子動(dòng)力學(xué)模型。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，其特征步驟5.1)將仿真模型離散化為有限元網(wǎng)格；根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算要求，選擇合適的網(wǎng)格劃分方法；步驟5.2)傳熱固化模塊的建立：具體搭建流程如下：(1)定義傳熱固化問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程；(2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組；(3)選擇迭代法或直接求解法，求解有限元方程組；步驟5.3)流動(dòng)壓實(shí)模塊的建立：具體搭建流程如下：(1)定義流動(dòng)壓實(shí)問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程；(2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組；(3)選擇迭代法或直接求解法，求解有限元方程組；步驟5.4)應(yīng)力應(yīng)變模塊的建立：具體搭建流程如下：(1)定義應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程，如彈性力學(xué)方程和材料本構(gòu)關(guān)系；(2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組；(3)選擇迭代法或直接求解法，求解有限元方程組；5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，其特征將步驟4)中隨交聯(lián)程度變化的熱、力學(xué)參數(shù)作為步驟5)中搭建的界面應(yīng)力有限元仿真金屬導(dǎo)體與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料界面處應(yīng)力最小值為最優(yōu)目標(biāo)，如果計(jì)算出的界面應(yīng)力非極值，重新對(duì)修正后分子動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行交聯(lián)度計(jì)算，直至輸出界面應(yīng)力最小值。5技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明屬于電力設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法。背景技術(shù)[0002]電力設(shè)備中固-固界面結(jié)構(gòu)普遍存在，其中以金屬導(dǎo)體-環(huán)氧樹(shù)脂絕緣材料組成的界面結(jié)構(gòu)最為典型，在電力電纜、干式套管、氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)、氣體絕緣金屬封閉傳輸線(GIL)等電力設(shè)備存在中心導(dǎo)體與環(huán)氧基復(fù)合材料相粘接的固-固界面結(jié)構(gòu)。界面處往往是材料絕緣的薄弱位置，尤其是界面處由于機(jī)械應(yīng)力引起的絕緣缺陷已成為高壓電力設(shè)備中不可忽視的問(wèn)題。界面兩側(cè)采用不同的材料，電力設(shè)備在澆注制備過(guò)程中由于溫度和固化度分布的差異，會(huì)在成型后的澆鑄件中產(chǎn)生各種殘余應(yīng)力，主要包括固化收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致絕緣缺陷。在實(shí)際運(yùn)行中，以盆式絕緣子為例，已經(jīng)出現(xiàn)金屬嵌件和環(huán)氧絕緣材料界面處引起的絕緣開(kāi)裂、界面剝落等電氣事故，這種事故會(huì)直接導(dǎo)致盆式絕緣子失效，從而影響設(shè)備的正常運(yùn)行。金屬導(dǎo)體和樹(shù)脂絕緣材料之間的界面應(yīng)力集中是導(dǎo)致界面問(wèn)題的一個(gè)重要誘因。因此，需要對(duì)電力設(shè)備中導(dǎo)體與固體絕緣界面殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。[0003]當(dāng)前研究對(duì)于界面殘余應(yīng)力數(shù)值仿真主要集中在有限元仿真計(jì)算，對(duì)分子模擬聯(lián)合有限元分析降低界面應(yīng)力的方法尚未涉及，如發(fā)明專(zhuān)利CN201810448171.9公開(kāi)了一種復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力多尺度數(shù)值模擬方法，其主要考慮復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力變化，但沒(méi)有考慮分子模擬優(yōu)化固化過(guò)程的熱、力學(xué)參數(shù)，本文通過(guò)分子模擬結(jié)合有限元分析手段對(duì)金屬與環(huán)氧樹(shù)脂基絕緣材料界面處的應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化使界面處的殘余應(yīng)力最小，進(jìn)而優(yōu)化殘余應(yīng)力。發(fā)明內(nèi)容[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，考慮到了分子模擬優(yōu)化固化過(guò)程中的熱、力學(xué)參數(shù)，通過(guò)分子模擬結(jié)合有限元分析手段對(duì)金屬與樹(shù)脂基絕緣材料界面處的應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化使界面處的殘余應(yīng)力最小，進(jìn)而優(yōu)化殘余應(yīng)[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，具體為：步驟1)采用MaterialStudio軟件建立環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟2)使用MS軟件中的Forcite模塊對(duì)步驟1得到的交聯(lián)模型進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；步驟3)修正步驟1)中的分子動(dòng)力學(xué)模型，得到修正后的分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟4)通過(guò)在修正后分子動(dòng)力學(xué)模型中設(shè)置不同目標(biāo)交聯(lián)度，采用步驟2)中方法求取不同交聯(lián)度下的熱、力學(xué)參數(shù)，并以環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料溫度和固化度這兩個(gè)固化參數(shù)擬合熱、力學(xué)計(jì)算曲線；5)搭建多物理場(chǎng)有限元仿真模型，具體包括傳熱固化模塊、流動(dòng)壓實(shí)模塊和應(yīng)力應(yīng)變模塊；6)仿真可計(jì)算環(huán)氧樹(shù)脂6前使初始混合物完全平衡，基于上述操作得到了未固化的環(huán)氧樹(shù)脂-固化劑無(wú)定型晶胞結(jié)[0012]步驟2.1)通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)降溫模擬即可求得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,溫度下模型密度的平均值來(lái)確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg;環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T是根據(jù)恒壓冷卻過(guò)程中密度-溫度關(guān)系斜率的變化計(jì)算得出的；7[0026]步驟3.1)熱、力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量：導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是影響復(fù)合材料內(nèi)部熱量的傳遞和交換的重要參數(shù)，使用激光導(dǎo)熱儀NETZSCHLFA447測(cè)試環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容；瑞士梅特勒DSC822的差示掃描量熱儀測(cè)試環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；通過(guò)QL-300G/QL-300S密度測(cè)試儀測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的密度；使用線性熱膨脹儀測(cè)試環(huán)氧樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)；采用動(dòng)態(tài)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Z250測(cè)試儲(chǔ)能模量和泊松比；[0027]步驟3.2)經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式修正：比熱容的計(jì)算需考慮量子效應(yīng)，即通過(guò)速度自相關(guān)函數(shù)做傅里葉變換計(jì)算聲子態(tài)密度，然后根據(jù)經(jīng)典與量子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系得到量子修正因子f:[0029]其中，x是統(tǒng)計(jì)物理中常用的約化能量；將修正后態(tài)密度與坐標(biāo)軸圍成的面積除以態(tài)密度與坐標(biāo)軸圍成的面積，可得比熱容的修正因子k。,然后可得修正比熱容計(jì)算公式為：[0032]步驟3.3)通過(guò)步驟3.1)得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與步驟2)得到的分子動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算比較，采用經(jīng)驗(yàn)公式修正分子動(dòng)力學(xué)模型。[0034]步驟5.1)將仿真模型離散化為有限元網(wǎng)格。根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算要求，選擇合適的網(wǎng)格劃分方法；4/10頁(yè)4/10頁(yè)8[0036](1)定義傳熱固化問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程，如熱傳導(dǎo)方程和固化模型；[0037](2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組；[0038](3)選擇合適的數(shù)值解法，如迭代法或直接求解法，求解有限元方程組；[0039](4)根據(jù)求解結(jié)果，分析溫度分布、固化狀態(tài)；[0040]步驟5.3)流動(dòng)壓實(shí)模塊的建立：具體搭建流程如下：[0041](1)定義流動(dòng)壓實(shí)問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程，如流體力學(xué)方程和顆粒動(dòng)力學(xué)方程。[0042](2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組。[0043](3)選擇合適的數(shù)值解法，如迭代法或直接求解法，求解有限元方程組。[0044](4)據(jù)求解結(jié)果，分析流動(dòng)場(chǎng)、混合狀態(tài)。[0045]步驟5.4)應(yīng)力應(yīng)變模塊的建立：具體搭建流程如下：[0046](1)定義應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程，如彈性力學(xué)方程和材料本構(gòu)關(guān)系。[0047](2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組。[0048](3)選擇合適的數(shù)值解法，如迭代法或直接求解法，求解有限元方程組。[0049](4)根據(jù)求解結(jié)果，分析應(yīng)力分布、變形情況。[0050]步驟6具體為：[0051]將步驟4)中隨交聯(lián)程度變化的熱、力學(xué)參數(shù)作為步驟5)中搭建的界面應(yīng)力有限元仿真模型的初始材料參數(shù)，仿真可計(jì)算環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料內(nèi)部溫度、固化度、應(yīng)力、應(yīng)變分布；以金屬導(dǎo)體與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料界面處應(yīng)力最小值為最優(yōu)目標(biāo)，如果計(jì)算出的界面應(yīng)力非極值，重新對(duì)修正后分子動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行交聯(lián)度計(jì)算，直至輸出界面應(yīng)力最小值。[0052]本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明方法考慮到了金屬導(dǎo)體和樹(shù)脂絕緣材料之間的界面應(yīng)力集中是導(dǎo)致界面問(wèn)題的一個(gè)重要誘因，通過(guò)分子模擬優(yōu)化固化過(guò)程中的熱、力學(xué)參數(shù)，結(jié)合有限元分析手段對(duì)金屬與樹(shù)脂基絕緣材料界面處的應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，可以分析固化過(guò)程中材料參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響進(jìn)而優(yōu)化固化工藝配方使界面處的殘余應(yīng)力最小，進(jìn)而優(yōu)化殘余應(yīng)力。可以有效地提升電力設(shè)備的可靠性，具有一定的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。附圖說(shuō)明[0053]圖1為本發(fā)明方法的模型搭建流程圖；[0054]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂單體結(jié)構(gòu)圖；[0055]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的交聯(lián)過(guò)程流程圖；[0056]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的復(fù)合材料固化變形流程圖。具體實(shí)施方式[0057]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。[0059]本發(fā)明提供一種基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，如圖1-4所示，具體包括以下步驟：[0060]步驟1)采用MaterialStudio(MS)軟件建立環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料分子動(dòng)力學(xué)模型，步驟1具體為：[0061]1.1)預(yù)交聯(lián)過(guò)程：本專(zhuān)利選用盆式絕緣子常用的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂，如圖2所示，其9單體和固化劑分別是雙酚A二縮水甘油醚(DGEBA)和3,3'-二氨基二苯砜(33DDS),雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂單體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，因此采用MaterialStudio(MS)軟件中的非晶細(xì)胞工具構(gòu)在分子動(dòng)力學(xué)模型中，表面羥基飽和的球形Al?0?納米顆粒的直徑為1.00nm(可設(shè)置不同直徑大小)。Al?O?的體積分?jǐn)?shù)為20%。初始階段將環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的混合物以所需的化學(xué)計(jì)量填充并平衡到具有三維周期性邊界條件的模擬池中。最初在低密度(0.5-10g/cm3下創(chuàng)建分子動(dòng)力學(xué)模型，并使用共軛梯度法通過(guò)能量最小化來(lái)松弛，然后使用在600K下50ps的等溫和等容(NVT系綜)MD模擬進(jìn)行幾何優(yōu)化和動(dòng)力學(xué)弛豫，得到能量最低的分子動(dòng)力學(xué)模型；最后在大氣壓下進(jìn)行400ps的等壓(NPT)MD模擬以獲得密度和分子排布最接近實(shí)際分布的構(gòu)型，從而在化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始之前使初始混合物完全平衡。基于上述操作得到了未固化的環(huán)氧樹(shù)脂-固化劑無(wú)定型晶胞結(jié)構(gòu)模型。[0062]1.2)交聯(lián)過(guò)程：為了上述模型中的環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑得到充分反應(yīng)，使用Perl編程語(yǔ)言進(jìn)行MD模擬，設(shè)定交聯(lián)反應(yīng)溫度為480K,交聯(lián)距離為0.35～0.75nm;環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的目標(biāo)交聯(lián)密度均設(shè)定為85%(可設(shè)置不同目標(biāo)交聯(lián)度)。未固化的環(huán)氧樹(shù)脂-固化劑無(wú)定型晶胞結(jié)構(gòu)模型在298K和1.013×10??GPa壓力下在NPT系統(tǒng)下平衡，并且重復(fù)化學(xué)反應(yīng)的循環(huán)，然后進(jìn)行熱化，直到獲得所需的固化度；其中模擬力場(chǎng)為COMPASSAndersen,壓控算法為Berendsen,靜電相互作用基于Ewald方法和Atombased方法，模擬精[0063]1.3)退火過(guò)程：將1.2)中具有不同固化度的模型進(jìn)行退火處理，以得到進(jìn)行熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算的最終交聯(lián)模型。[0064]步驟2)使用MS軟件中的Forcite模塊對(duì)步驟1得到的交聯(lián)模型進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，具體泊松比v。[0065]2.1)通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂體系進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)降溫模擬即可求得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T,具體為：使用Perl語(yǔ)言編寫(xiě)腳本，將步驟1得到的模型升溫至700K,并進(jìn)行30K/100ps-100ps的準(zhǔn)模擬。總共進(jìn)行5輪模擬，使用每個(gè)溫度下模型密度的平均值來(lái)確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T。環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T是根據(jù)恒壓冷卻過(guò)程中密度-溫度關(guān)系斜率的變化計(jì)算得出的。[0066]2.2)本文采用NEMD法計(jì)算熱導(dǎo)率；具體為：首先對(duì)步驟1得到的模型在NVT系統(tǒng)下以300K運(yùn)行50ps,之后撤銷(xiāo)掉NVT整體熱浴，在NVE系綜下進(jìn)行局部熱浴運(yùn)行100ps,將步驟1最終得到的模型沿x軸分成20塊區(qū)域，在左右兩側(cè)邊界分別取2兩塊區(qū)域進(jìn)行固定，作為固定層，左側(cè)緊貼著固定層的區(qū)域設(shè)置為熱匯，右側(cè)緊貼固定層區(qū)域設(shè)為熱源，使用朗之萬(wàn)熱浴設(shè)置熱源、熱匯的溫度值分別為350K和250K,這樣從熱源到熱匯不斷地進(jìn)行能量交換，最終到達(dá)溫度梯度的平衡穩(wěn)定，對(duì)溫度分布進(jìn)行線性擬合，可以得到溫度梯度，然后基于傅里葉定律可得熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率可以根據(jù)式(1)NVT系統(tǒng)下的能量漲落法來(lái)計(jì)算。[0068]式中：J為z方向的能量通量：dT/dz為溫度梯度負(fù)號(hào)表示能量通量的方向與梯度相[0069]2.3)熱膨脹系數(shù)(Coefficientofthermalexpansion,CTE)是材料的主要物理性質(zhì)之一，可用來(lái)計(jì)算因受熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，是衡量材料的熱穩(wěn)定性好壞的一個(gè)重要[0072]2.4)使用靜態(tài)常應(yīng)變法，在已1.3中得到的交聯(lián)模型中應(yīng)用一個(gè)彈性極限內(nèi)的微小應(yīng)變，然后重新進(jìn)行能量?jī)?yōu)化。施加這個(gè)應(yīng)變到不同的方向，重復(fù)上述過(guò)程多次，可以根據(jù)式(3)計(jì)算出模型的剛度矩陣，其元素為勢(shì)能對(duì)應(yīng)變的二階導(dǎo)數(shù)，即脹系數(shù)、儲(chǔ)能模量、泊松比以及經(jīng)驗(yàn)/半經(jīng)驗(yàn)公式修正步驟1)中的分子動(dòng)力學(xué)模型，得到修正后的分子動(dòng)力學(xué)模型。[0079]3.1)熱、力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量：導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是影響復(fù)合材料內(nèi)部熱量的傳遞和交換的重要參數(shù)，使用激光導(dǎo)熱儀NETZSCHLFA447測(cè)試環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容；瑞士梅特勒DSC822的差示掃描量熱儀測(cè)試環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；通過(guò)QL-300G/QL-300S密度測(cè)試儀測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的密度；使用線性熱膨脹儀測(cè)試環(huán)氧樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)；采用動(dòng)態(tài)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Z250測(cè)試儲(chǔ)能模量和泊松比；[0080]3.2)經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式修正：熱學(xué)參數(shù)以比熱容參數(shù)為例，對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料而言，分子動(dòng)力學(xué)模型求取的比熱容比實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量的比熱容結(jié)果偏大。主要原因在于，輕質(zhì)量原子的振動(dòng)能級(jí)很高，在室溫下無(wú)法完全激發(fā)，而分子動(dòng)力學(xué)模擬卻假設(shè)原子全部激發(fā)，所以算出的比熱容較高。因此，比熱容的計(jì)算需考慮量子效應(yīng)，即通過(guò)速度自相關(guān)函[0087]4)通過(guò)步驟3)中的修正后分子動(dòng)力學(xué)模型仿真計(jì)算不同交聯(lián)程度下環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)Ky=K22;另一部分為樹(shù)脂的反應(yīng)放熱方程Q,如式(9)所示：[0095]總反應(yīng)熱為恒定值，可以進(jìn)一步通過(guò)DSC和TGA等熱分析法測(cè)定；熱流密度與固化速率呈正比關(guān)系，固化速率反應(yīng)了樹(shù)脂固化過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為，其研究方法分為宏觀尺度的唯象模型和微觀尺度的機(jī)理模型，唯象模型著重于反應(yīng)的整體步驟，回避了化學(xué)反應(yīng)的細(xì)節(jié)，采用多元線性回歸的方法，借助較為簡(jiǎn)單的速率方程來(lái)描述反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，因此本文采用唯象模型法研究環(huán)氧樹(shù)脂的固化動(dòng)力學(xué)，唯象模型的普遍形式如式(10)所示。體壓強(qiáng)相關(guān)性方程。[0098]傳熱固化模塊具體搭建流程如下：[0099](1)定義傳熱固化問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程，如熱傳導(dǎo)方程和固化模型；[0100](2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組；[0103]5.3)流動(dòng)壓實(shí)模塊建立。復(fù)合材料的流動(dòng)壓實(shí)發(fā)生在初始固化階段，即凝膠點(diǎn)之前。根據(jù)機(jī)理不同，流動(dòng)主要分為兩類(lèi)，即滲流和剪切流。滲流是指樹(shù)脂基體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，在外壓作用下達(dá)到飽和并使多余的樹(shù)脂被擠壓出；剪切流發(fā)生在熱塑性復(fù)合材料的固化成型過(guò)程中，由樹(shù)脂基體與填料之間剪切力產(chǎn)生。一般通過(guò)有效應(yīng)力原理和達(dá)西滲流定律建立流動(dòng)-壓實(shí)耦合計(jì)算模型來(lái)模擬環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料固化過(guò)程的流動(dòng)壓實(shí)過(guò)程。采用多孔介質(zhì)飽和流方式建立滲流方程和有效應(yīng)力原理是目前普遍采用的研究方法，其控制方程如下：[0106]式(11)和(12)分別是根據(jù)達(dá)西定律推導(dǎo)出來(lái)的滲流基本方程和有效應(yīng)力原理；式外部施加的壓力，p為填料承受的有效應(yīng)力，P為環(huán)氧樹(shù)脂承受的孔壓。[0107]流動(dòng)壓實(shí)模塊的具體搭建流程如下：[0108](1)定義流動(dòng)壓實(shí)問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程，如流體力學(xué)方程和顆粒動(dòng)力學(xué)方程。[0109](2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組。[0112]5.4)應(yīng)力應(yīng)變模塊建立：熱傳導(dǎo)與固化動(dòng)力學(xué)方程耦合得到的傳熱固化模塊可以計(jì)算構(gòu)件中任意時(shí)間和空間的溫度和固化度，在此基礎(chǔ)上應(yīng)力變形模塊根據(jù)求得的溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)，通過(guò)熱力耦合模塊實(shí)現(xiàn)傳熱與結(jié)構(gòu)力學(xué)的耦合，再根據(jù)本構(gòu)方程建立起應(yīng)力與應(yīng)變之間的聯(lián)系，計(jì)算樹(shù)脂固化變形過(guò)程中的產(chǎn)生的固化收縮應(yīng)變和熱應(yīng)變。線彈性本構(gòu)模型是常用于預(yù)測(cè)復(fù)合材料固化變形的方法之一，其一般的表示形式為：[0115]應(yīng)力應(yīng)變模塊的具體搭建流程如下：[0116](1)定義應(yīng)力應(yīng)變問(wèn)題的數(shù)學(xué)方程，如彈性力學(xué)方程和材料本構(gòu)關(guān)系。[0117](2)將方程離散化為有限元格式，并在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建有限元方程組。[0120]6)將步驟4)中隨交聯(lián)程度變化的熱、力學(xué)參數(shù)作為步驟5)中搭建的界面應(yīng)力有限元仿真模型的初始材料參數(shù)，仿真可計(jì)算環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料內(nèi)部溫度、固化度、應(yīng)力、應(yīng)變分布；以金屬導(dǎo)體與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料界面處應(yīng)力最小值為最優(yōu)目標(biāo)，如果計(jì)算出的界面應(yīng)力非極值，重新對(duì)修正后分子動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行交聯(lián)度計(jì)算，直至輸出界面應(yīng)力最小值。[0122]基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，具體為：步驟1)采用MaterialStudio軟件建立環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟2)使用MS軟件中的Forcite模塊對(duì)步驟1得到的交聯(lián)模型進(jìn)行參數(shù)計(jì)算；步驟3)修正步驟1)中的分子動(dòng)力學(xué)模型，得到修正后的分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟4)通過(guò)在修正后分子動(dòng)力學(xué)模型中設(shè)置不同目標(biāo)交聯(lián)度，采用步驟2)中方法求取不同交聯(lián)度下的熱、力學(xué)參數(shù)，并以環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料溫度和固化度這兩個(gè)固化參數(shù)擬合熱、力學(xué)計(jì)算曲線；5)搭建多物理場(chǎng)有限元仿真模型，具體包括傳熱固化模塊、流動(dòng)壓實(shí)模塊和應(yīng)力應(yīng)變模塊；6)仿真可計(jì)算環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料內(nèi)部溫最小值。[0124]基于分子模擬的金屬與環(huán)氧樹(shù)脂界面應(yīng)力降低方法，具體為：步驟1)采用MaterialStudio軟件建立環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料分子動(dòng)力學(xué)模型；步驟2)使用M