一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法技术

本发明专利技术公开了一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法，包括：生成体积分数为V

【技术实现步骤摘要】
一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法


[0001]本专利技术属于平面形颗粒填充复合材料的微观结构几何建模领域，特别是涉及一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法。

技术介绍

[0002]复合材料有着比重小、导电性优异、强度高等特性，因此成为研究和应用的热点。在这之中，复合材料的有限元等方法成为研究复合材料机理的重要手段。在当前有限元等理论方法中，模型的质量决定了计算的结果，因此如何方便快速的建立几何模型成为一个急需解决的问题。
[0003]分子动力学计算的石墨烯片状模型，采用自避免随机游走算法建模，石墨烯嵌入橡胶中并且位置、方向随机，同时从其展示来看，模型呈现周期性，为便于数值计算，将填料简化至了二维。但是该模型存在以下特点或局限：未解决高质量份数下的填料相互干涉问题，同时未考虑填料正态分布及团聚的特征。
[0004]目前平面形颗粒填充复合材料模型存在以下局限性：
[0005]1、所有模型都未考虑填料颗粒尺寸的正态分布特性，而填料颗粒尺寸实际上是正态分布的，颗粒大小对填充复合材料的性能有显著影响。
[0006]2、所有模型都未考虑填料颗粒的部分团聚现象，而填充型复合材料中颗粒会不可避免的发生局部团聚，该团聚也会极大影响复合材料的性能。

技术实现思路

[0007]专利技术的目的是提供一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法，包括：
[0009]步骤一：生成体积分数为V
ag
的团聚体，使团聚体互不相交地填充在单元体内；
[0010]步骤二：生成随机数并构建固定角度的填料坐标矩阵G；
[0011]步骤三：基于所述填料坐标矩阵G得到随机位相的填料坐标矩阵G
θ
；
[0012]步骤四：基于所述随机相位的填料坐标G
θ
进行周期性构建，并根据G
θ
位置扩展得到G
p
矩阵；
[0013]步骤五：基于所述G
p
矩阵判断不同G
p
之间是否相互干涉；
[0014]步骤六：基于所述G
p
矩阵判断生成填料是否满足指定的质量分数w
t
；
[0015]步骤七：基于所获得的填料坐标编写自动建模文件。
[0016]优选地，指定所有团聚体占单元体的体积分数V
ag
，单元体内的团聚体个数N
ag
，团聚体大小A
s
；在固定位置生成不同旋转角度的N
j
个填料，每片大小为A
s
，生成随机数让其整体移动，判断是否与已生成团聚体相交，若相交则重新生成，若不相交则生成该团聚体，直到体积分数满足V
ag
，从而得到所述体积分数为V
ag
的团聚体；
[0017]所述体积分数V
ag
根据公式计算得到，a为代表性体积单元的立方体模型的边长，d为填料片厚度，N
j
为单个团聚体中的填料片数目。
[0018]优选地，所述随机数需随时间初始化随机数种子并且满足均匀性要求，若不满足均匀性要求则重新生成；
[0019]根据所述随机数取随机数G1(x1，y1，z1)，将其作为一个填料的顶点坐标，构建其他三个顶点坐标G2(x1+b
x
，y1，z1)、G3(x1+b
x
，y1+b
x
，z1)、G4(x1，y1+b
x
，z1)，b
x
为具有正态分布的随机数，其正态分布为b
x
～N(u，σ2)，其中均值u为填料的边长，标准差σ2用于控制填料边长的分布。最后将其统合在一起得到所述固定角度的填料坐标矩阵G(G1；G2；G3；G4)。
[0020]优选地，取满足均匀性的随机数θ(U1，V1，W1)，θ表示填料沿笛卡尔三个坐标系(X，Y，Z)的旋转角度；G
θ
由航空飞机姿态角确定，将θ当作航空随机姿态角，由此可得坐标转化矩阵，根据所述坐标转化矩阵和所述填料坐标矩阵G可得填料旋转后的坐标G
θ
，从而得到随机位相的所述填料坐标矩阵G
θ
。
[0021]优选地，所述周期性构建和所述扩展得到G
p
矩阵需判断此时填料是否在单元体边界，如果不在边界则进行判断不同G
p
之间是否相互干涉步骤，如果在边界应当判断填料所在位置，根据其位置进行相应的复制平移，将其复制移动到单元体的对应位置，得到所述G
p
，所述G
p
包含所述G
θ
和复制平移后的填料坐标矩阵。
[0022]优选地，所述判断不同G
p
之间是否相互干涉的过程包括，重复步骤2、步骤3、步骤4，得到一片新填料的坐标G
p
‑
x+1
，采用分离轴算法检测两个填料是否相交，如果判定两个填料相交，则舍弃当前随机数，取下一个随机数重复步骤4和步骤5，如果判定两个填料不相交，则生成当前填料图像并保存坐标。
[0023]优选地，所述分离轴算法设定任意投影轴，将第一片填料所有顶点坐标G
p
‑1对投影轴作投影，得到的投影构建矩阵T1，将第二片填料所有顶点G
p
‑2分别对投影轴作投影，得到投影构建矩阵T2，依此类推，将第x片填料所有顶点坐标G
p
‑
x
对投影轴作投影，得到投影构建矩阵T
x
，依此类推最后得到矩阵T
x+1
，然后分别进行T1、T2…
T
x
与T
x+1
的判断，判断定则为是否MAX{T
x
}>＝MIN{T
x+1
}，同时MIN{T
x
}<＝MAX{T
x+1
}，两者如果同时满足，则在此投影轴上判定相交，应当更换投影轴再次进行检测，如果在设定的所有投影轴上两个条件均满足，则判定两者相交，否则只要在任意一个投影轴上两个条件不同时满足，则判定这两个填料不相交。
[0024]优选地，所述判断生成填料是否满足指定的质量分数w
t
的过程包括，重复步骤5及步骤6直到得到指定数目的具有周期性平移的填料片，依据计算复合材料质量分数，ρ1为填料密度，ρ0为基体密度，a为代表性体积单元的立方体模型的边长，d为单层填料片厚度，n为填料片数目，若质量分数不符合要求则重复步骤4及5，若质量分数符合要求则退出循环进行步骤7。
[0025]优选地，所述基于所获得的填料坐标编写自动建模文件要求将所有保存好的填料坐标，按照3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法，其特征在于，包括：步骤一：生成体积分数为V
ag
的团聚体，使团聚体互不相交地填充在单元体内；步骤二：生成随机数并构建固定角度的填料坐标矩阵G；步骤三：基于所述填料坐标矩阵G得到随机位相的填料坐标矩阵G
θ
；步骤四：基于所述随机相位的填料坐标G
θ
进行周期性构建，并根据G
θ
位置扩展得到G
p
矩阵；步骤五：基于所述G
p
矩阵判断不同G
p
之间是否相互干涉；步骤六：基于所述G
p
矩阵判断生成填料是否满足指定的质量分数w
t
；步骤七：基于所获得的填料坐标编写自动建模文件。2.根据权利要求1所述的平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法，其特征在于：指定所有团聚体占单元体的体积分数V
ag
，单元体内的团聚体个数N
ag
，团聚体中每片填料的尺寸大小A
s
；在固定位置生成不同旋转角度的N
j
个填料，每片大小为A
s
，生成随机数让其整体移动，判断是否与已生成团聚体相交，若相交则重新生成，若不相交则生成该团聚体，直到体积分数满足V
ag
，从而得到所述体积分数为V
ag
的团聚体；所述体积分数V
ag
根据公式计算得到，a为代表性体积单元的立方体模型的边长，d为填料片厚度，N
j
为单个团聚体中的填料片数目。3.根据权利要求1所述的一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法，其特征在于：所述随机数需随时间初始化随机数种子并且满足均匀性要求，若不满足均匀性要求则重新生成；根据所述随机数取随机数G1(x1，y1，z1)，将其作为一个填料的顶点坐标，构建其他三个顶点坐标G2(x1+b
x
，y1，z1)、G3(x1+b
x
，y1+b
x
，z1)、G4(x1，y1+b
x
，z1)，b
x
为具有正态分布的随机数，其正态分布为b
x
～N(u，σ2)，其中均值u为填料的边长，标准差σ2用于控制填料边长的分布；最后将其统合在一起得到所述固定角度的填料坐标矩阵G(G1；G2；G3；G4)。4.根据权利要求1所述的一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法，其特征在于：取满足均匀性的随机数θ(U1，V1，W1)，θ表示填料沿笛卡尔三个坐标系(X，Y，Z)的旋转角度；G
θ
由航空飞机姿态角确定，将θ当作航空随机姿态角，由此可得坐标转化矩阵，根据所述坐标转化矩阵和所述填料坐标矩阵G可得填料旋转后的坐标G
θ
，从而得到随机位相的所述填料坐标矩阵G
θ
。5.根据权利要求1所述的一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的几何建模方法，其特征在于：所述周期性构建和所述扩展得到G
p
矩阵需判断此时填料是否在单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏志东，魏晓杰，罗卫初，周炜，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：