【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及有限元模型生成及数值模拟，具体而言，特别涉及一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法。
技术介绍
1、轻质多孔材料兼具功能性和结构性，因具有吸能减震、隔热散热、吸声隔音等优异特性，广泛应用于航空航天、军事防护、车辆交通等领域。但由于实际发泡制备过程中胞孔呈现出的不规则性和不均匀性限制了其作为结构材料的大规模应用，为准确模拟实际材料性能，改进和拓展在各工业领域的应用，多孔材料的有限元仿真模拟应运而生，为此仿真模型也日趋完善。
2、泡沫材料由于胞孔大小、分布以及胞壁厚度复杂多变，关于模型的构建一直都在不断突破与完善。为此，学者们已开展了大量研究工作并先后形成了认可度较高的简单晶胞模型、随机模型和三维ct重构模型。近年来，诸多学者通过构建随机模型来模拟高度复杂泡沫孔隙结构的力学行为，通过调整胞孔尺寸参数和数量来改变孔隙结构，实现随机模型的整体构建。voronoi模型作为随机模型的一种，其概念由dirichlet于1850年首先提出，成形过程更接近真实多孔发泡过程，已经被应用到许多使用建筑外观立面设计中，如我国国家游泳中心水立方，伊东丰雄的mikimoto大厦等，文献（胞孔孔径对泡沫铝压缩力学性能影响的仿真研究[j]. 机械工程学报，2022(第12期):75-82.）即针对3d-voronoi泡沫模型进行了构建及有限元模拟，但由于孔壁为厚度均匀的直线状胞壁，其缺陷为孔壁厚度保持一致难以实现随机分布，使得模型与真实多孔结构存在一定形貌差异，此外，模型过渡尖角处在仿真模拟时易发生应力集中，使得模拟结果
技术实现思路
1、为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法。本专利技术目的在于基于真实孔隙泡沫提出了具有随机壁厚的三维实体泡沫模型的建模方法及其实现流程，利用图形编程语言作为操作方法，通过输入所需参数构建泡沫模型。使用生成算法构建形状生成器，结合可视化编程代码创建参数化数字模型，开发由设计者实时定制的交互式拓扑设计算法，实现精确的3d-voronoi动态建模，构建可精确反映泡沫随机孔隙结构的孔泡模型，并用于开展有限元仿真计算，通过应力云图捕捉不同应变状态下的结构响应，实现模型对真实试样的力学性能预测。
2、本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，具体包括以下步骤：
3、步骤s1、输入模型尺寸参数形成空间约束，立方体模型需输入长l、宽w、高h对应参数，圆柱体模型则需输入直径φ与高h对应参数，即不同的模型输入相应的规格参数；
4、步骤s2、输入形核点数目，在空间中生成随机排列的形核点，形核点间距均匀；若在形核点中增设干扰点，形成点干扰，能够达到形核点渐变排布的效果；点干扰的逻辑方法为：先求出干扰点与目标点之间的距离值，再将得到的距离大小映射为形核点随机删除的比例值；达到离干扰点越近的形核点删除的几率越大，离干扰点越远的形核点删除的几率越小，形成形核点随机排布但是能看出疏密变化；
5、步骤s3、三维空间的voronoi模型生成方法：利用3d-delaunay剖分法将离散形核点合理地连接到四面体中；四面体的四个内角应为锐角，判定标准如下所示：
6、1）任何 3d-delaunay 的周围不能包含任何其他形核点，即所有形核点必须作为3d-delaunay 的组成部分；
7、2）两个相邻的 3d-delaunay 四面体形成一个凸多面体；交换凸多面体的对角线后，内角中最小的一个角度不再增加，此判定标准称为最小角度、最大标准，数学表达式如下：
8、 (1)
9、其中， c i是步骤s1中输入尺寸参数所形成的空间单元， d(o,s i )为位置点 o与形核点 s i之间的空间距离；其中 s i... s n为空间约束 c i中定义的一系列形核点；
10、将空间分解为围绕一个生成点旋转的凸区域，并且凸区域中的每个点都比任何其他点更接近生成点；相邻形核点相连的垂直平分面作为边界随机生成不规则胞孔，形成3d-delaunay 网格，构建具有随机形核点的 3d-voronoi 模型；
11、步骤s4、利用空间分割方法，将空间划分为规定个数的无缝单元；
12、步骤s5、设置比例因子以单个单元质心为中心使孔泡模型按比例缩小，空隙处形成壁厚；
13、步骤s6、引用表面重构概念，优化胞孔形状，通过定义每个面的细分迭代次数对闭合曲面进行环路细分，即通过递归细分将一个曲面划分为多个小曲面；
14、步骤s7、利用三维建模软件并结合非均匀有理b样条曲线nurbs优化voronoi多孔模型，其中，非均匀表示节点的间距不均匀，有理表示控制点可以加权，b样条表示用路线创建一条曲线；使用nurbs优化前后的胞孔表面，修饰细化网格会显著增加孔壁的圆弧度和壁面的平滑度；
15、nurbs分段有理曲面 p(u,v)=｛x(u,v),y(u,v),z(u,v)｝由以下公式定义：
16、 (2)
17、其中， d i,j (i=0,1,……,m;j=0,1,……,n)为拓扑网格控制点， w为核心位置相应权重， n i,k (u)n j,i (v)为非周期节点上定义的归一化b样条基函数；
18、步骤s8、对通过nurbs优化后的实体胞孔模型与胞孔约束空间同等大小的实体使用逻辑运算中的布尔操作方法，划分为目标体与工具体两种类型，实现实体与胞孔模型中的差集从而构建出多孔几何模型。
19、作为优选方案，步骤s2中设置形核点数目为大于2的整数。
20、进一步地，步骤s2中设置形核点数目为150。
21、作为优选方案，步骤s5中设置比例因子范围为0-1之间。
22、进一步地，步骤s5中设置比例因子为0.9。
23、作为优选方案，步骤s6中迭代次数范围为1，2，3中的一个值，迭代次数为1，所有顶点固定，裸边使用nurbs优化；迭代次数为2，转角（双面本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤S2中设置形核点数目为大于2的整数。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤S2中设置形核点数目为150。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤S5中设置比例因子范围为0-1之间。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤S5中设置比例因子为0.9。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤S6中迭代次数范围为1，2，3中的一个值，迭代次数为1，所有顶点固定，裸边使用NURBS优化；迭代次数为2，转角（双面顶点）固定，其余顶点及裸边使用NURBS优化；迭代次数为3，所有顶点及裸边使用NURBS优化。p>
7.根据权利要求6所述的一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤S6中设置迭代次数为3次。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述多孔几何模型的材料适用于包括铁、铝、铜、镁、钛的金属材料以及包括陶瓷、橡胶、混凝土的非金属材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于3D-Voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述多孔几何模型的孔隙率由孔泡个数及缩放比例因子决定，孔壁厚度由缩放比例因子决定。
...【技术特征摘要】
1.一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤s2中设置形核点数目为大于2的整数。
3.根据权利要求2所述的一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤s2中设置形核点数目为150。
4.根据权利要求1所述的一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤s5中设置比例因子范围为0-1之间。
5.根据权利要求4所述的一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其特征在于，所述步骤s5中设置比例因子为0.9。
6.根据权利要求1所述的一种基于3d-voronoi真实孔隙泡沫模型构建方法，其...
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