单向纤维复合材料随机结构生成方法及其系统技术方案

一种单向纤维复合材料随机结构生成方法及其系统，通过在RVE窗口内依次生成初始状态纤维并进行随机扰动，得到纤维位置信息；然后对RVE窗口内的纤维进行周期性保持并根据纤维位置信息建立RVE三维模型，本发明专利技术提出一种单向纤维材料模型生成方法及其系统，能够产生高体积分数的RVE，纤维分布具有充分的随机性，生成的RVE可以周期重复。

Unidirectional fiber composite random structure generation method and system

A unidirectional fiber composite random structure generation method and system, in order to generate the initial state of the fiber in the RVE window and random disturbance, obtain the fiber position information; and then the RVE window within the fiber periodically maintain and establish RVE 3D model according to the fiber position information, the invention provides a method of generating model of unidirectional fiber materials and systems, can produce high volume fraction RVE, fiber distribution is random enough, the RVE can be generated repeat cycle.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种材料领域的技术，具体是一种单向纤维复合材料随机结构生成方法及其系统。
技术介绍
纤维增强复合材料具有密度低、比刚度高、比强度高以及耐疲劳等优点，在诸如航空和汽车等工业领域得到了越来越多的重视。传统的基于实验的复合材料力学性能分析方法成本高、周期长。近年来，数值方法是复合材料力学性能快速准确预测的重要手段，其中结合细观力学和有限元的计算细观力学是进行复合材料力学性能分析及结构设计的重要方向，得到了广泛应用。基于均匀化理论，使用计算细观力学进行纤维增强复合材料力学性能分析，首先需要快速有效地建立统计学等效的代表性体积单元(RepresentativeVolumeElement,RVE)。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术无法解决单向纤维复合材料中纤维随机分布的表征以及重构等缺陷，提出一种单向纤维复合材料随机结构生成方法及其系统，能够产生高体积分数的RVE，纤维分布具有充分的随机性，生成的RVE可以周期重复。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种单向纤维材料模型生成方法，包括以下步骤：1)在RVE窗口内生成初始状态纤维，具体包括以下步骤：1.1)确定初始状态的纤维参数；1.2)在RVE窗口内生成完全紧密排布的纤维；1.3)根据目标体积分数Vf计算所需移除的纤维数目并随机移除多余纤维。所述的纤维参数包括纤维半径r、目标体积分数Vf、纤维边界之间最小距离lmin以及方形RVE窗口边长s。2)对RVE窗口内的纤维进行随机扰动，并得到纤维位置信息，具体包括以下步骤：2.1)对RVE窗口内的每一纤维赋予随机距离l和随机角度θ；2.2)依次对每一纤维按照其随机距离和随机角度进行移动，如所移动的纤维与其它纤维重叠，则取消该纤维的移动；2.3)重复步骤2.1)和步骤2.2)，直至到达最大循环数N；2.4)输出每个纤维的纤维位置信息。3)对RVE窗口内的纤维进行周期性保持，具体是指：将已有RVE窗口进行复制，得到九个RVE窗口并按九宫格排列，将目标RVE窗口设置于中心位置。4)根据纤维位置信息建立RVE三维模型，具体包括以下步骤：4.1)根据每个纤维的纤维位置信息以及纤维参数，绘制纤维截面；4.2)沿纤维方向将纤维拉伸成RVE三维模型。本专利技术涉及一种实现上述方法的单向纤维复合材料随机结构生成系统，包括：生成模块、扰动模块、保持模块和模型建立模块，其中：生成模块在RVE窗口内生成初始状态纤维，扰动模块对RVE窗口内的纤维进行随机扰动并得到纤维位置信息，保持模块对RVE窗口内的纤维进行周期性保持，模型建立模块接收纤维位置信息并建立RVE三维模型。附图说明图1为本专利技术流程示意图；图2为随机扰动流程示意图；图3为纤维运动过程示意图；图4为纤维随机分布示意图；图5为RVE三维模型示意图；图6为最邻近距离分布函数；图7为Ripley’sK函数；图8为对分布函数。具体实施方式如图1所示，本实施例的单向纤维材料模型生成方法，包括以下步骤：1)在RVE窗口内生成初始状态纤维。1.1)确定初始状态的纤维参数。纤维参数包括纤维半径r、目标体积分数Vf、纤维边界之间最小距离lmin以及方形RVE窗口边长s，其中：s＝50μm，r＝3.115μm，lmin＝0.2μm，Vf＝65％。1.2)在RVE窗口内生成完全紧密排布的纤维。在RVE窗口的正方形区域内，以一个点为圆心，赋予半径之后即为表示纤维截面的圆，由于RVE沿纤维方向假定为直线，则纤维的体积分数即等于截面内所有圆的面积分数。在窗口内尽可能多地放入完全紧密排布的纤维，代表纤维截面的圆之间互相外切，最大限度充满整个RVE窗口范围，此时RVE具有很高的纤维体积分数。1.3)根据目标体积分数Vf计算所需移除的纤维数目并随机移除。在此基础上，根据目标体积分数Vf计算出所需要保留的纤维数目，以随机的方式移除相应数目的纤维，达到目标体积分数Vf，进而形成了RVE窗口内纤维分布的初始状态。最终RVE窗口内剩余53根纤维，符合目标体积分数要求。2)如图2所示，对RVE窗口内的纤维进行随机扰动，并得到纤维位置信息。2.1)对RVE窗口内的每一纤维赋予随机距离l和随机角度θ。2.2)如图3所示，依次对每一纤维按照其随机距离和随机角度进行移动。如所移动的纤维与其它纤维重叠，则取消该纤维的移动。2.3)重复步骤2.1)和步骤2.2)，直至到达最大循环数N＝1000；2.4)输出53个纤维的纤维位置信息即纤维位置坐标。3)对RVE窗口内的纤维进行周期性保持。RVE要求具有周期性，表现为对边的对应位置是连续的。在纤维的随机扰动过程中，将RVE窗口及所有纤维复制8份，形成九宫格排列，所关注的目标RVE窗口处在中心位置。在扰动过程中，九宫格中每个窗口对应的纤维保持联动，对于中心RVE窗口边线上的纤维，其在RVE窗口外的另一部分则出现在对边边线位置处，这样即可以实现九宫格中心处的RVE窗口对边出现的纤维在几何上是连续的，从而保证目标RVE窗口中边上纤维的周期性。4)根据纤维位置信息建立RVE三维模型。4.1)如图4所示，根据每个纤维的纤维位置信息以及纤维参数，绘制纤维截面。采用绘图软件AutoCAD，根据纤维位置信息和纤维参数编写脚本语言，参数化生成纤维截面内随机分布的纤维截面。4.2)如图5所示，沿纤维方向将纤维拉伸成RVE三维模型。将AutoCAD生成的dwg文件导入三维几何建模软件UGNX中，通过纤维方向拉伸的方式建立RVE三维模型。本实施例涉及一种实现上述方法的单向纤维材料模型生成系统，包括：生成模块、扰动模块、保持模块和模型建立模块，其中：生成模块在RVE窗口内生成初始状态纤维，扰动模块对RVE窗口内的纤维进行随机扰动并得到纤维位置信息，保持模块对RVE窗口内的纤维进行周期性保持，模型建立模块接收纤维位置信息并建立RVE三维模型。如图6所示，SRP为本专利技术方法，RSE、Experiment为现有的纤维生成方法，从图中可以看出本专利技术方法的最近距离主要分布在2r到2.4r范围内，且与RSE算法和实验值趋势吻合。如图7～8所示，本专利技术方法得到的纤维分布的Ripley’sK函数和对分布函数，与CSR和RSE算法以及实验结果比较接近。采用以上三个统计学函数，从统计学的角度验证了所生成纤维分布的随机性。与现有技术相比，本专利技术运用随机扰动，指导单向纤维复合材料结构中随机分布纤维的生成，避免了采用硬核模型遇到的拥塞极限问题以及复杂的扰动规则，可以产生较高体积分数的RVE。针对纤维随机生成过程中有可能出现的纤维团聚问题，通过初始状态的纤维随机去除机制，以及所有纤维的智能扰动控制纤维的随机运动，同时控制循环数，进而保证所生成的纤维分布具有充分的随机性。通过九宫格中纤维联动，保证目标RVE窗口中对边纤维的连续性，进而使得生成的RVE可以实现周期性重复。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本专利技术的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本专利技术之约束。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单向纤维复合材料随机结构生成方法，其特征在于，通过在RVE窗口内依次生成初始状态纤维并进行随机扰动，得到纤维位置信息；然后对RVE窗口内的纤维进行周期性保持并根据纤维位置信息建立RVE三维模型。

【技术特征摘要】
1.一种单向纤维复合材料随机结构生成方法，其特征在于，通过在RVE窗口内依次生成初始状态纤维并进行随机扰动，得到纤维位置信息；然后对RVE窗口内的纤维进行周期性保持并根据纤维位置信息建立RVE三维模型。2.根据权利要求1所述的单向纤维复合材料随机结构生成方法，其特征是，所述的初始状态纤维，通过先确定初始状态的纤维参数，然后在RVE窗口内生成完全紧密排布的纤维；再根据目标体积分数Vf计算所需移除的纤维数目并随机移除多余纤维得到。3.根据权利要求2所述的单向纤维复合材料随机结构生成方法，其特征是，所述的纤维参数包括纤维半径r、目标体积分数Vf、纤维边界之间最小距离lmin以及方形RVE窗口边长s。4.根据权利要求3所述的单向纤维复合材料随机结构生成方法，其特征是，所述的随机扰动是指：首先对RVE窗口内的每一纤维赋予随机距离l和随机角度θ，然后依次对每一纤维按照其随机距离和随...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱平，朱超，刘钊，陶威，陈卫，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31