本發(fā)明屬于復(fù)合材料相關(guān)，更具體地，涉及一種基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比剛度的優(yōu)良性能，因而在航空航天、軌道交通行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料性能的分析與預(yù)測，許多學(xué)者已開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究；但實(shí)驗(yàn)研究需要耗費(fèi)大量的時間和人力，更高效的數(shù)值仿真方法在近年來獲得了研究人員的青睞。代表性體積元(representative?volume?element，rve)方法是研究復(fù)合材料微觀力學(xué)的一種有效手段。為了建立合理的rve模型，需要首先確定復(fù)合材料中的纖維分布。已有研究表明，實(shí)際材料中纖維更偏向于隨機(jī)分布，具有纖維隨機(jī)分布的rve模型可以實(shí)現(xiàn)精度更高的復(fù)合材料性能預(yù)測。

2、現(xiàn)有的生成纖維隨機(jī)分布的方法可分為兩類。在第一類方法中，纖維逐漸生成直至達(dá)到所需的體積分?jǐn)?shù)，在纖維順序生成的過程中通過某些約束進(jìn)行控制，例如硬核法、隨機(jī)順序展開法等。這類算法生成的纖維體積分?jǐn)?shù)通常不超過70％，無法生成高纖維含量的隨機(jī)纖維分布。第二類方法的流程是，首先隨機(jī)或均勻生成所需體積分?jǐn)?shù)的纖維數(shù)量(允許纖維干涉)，然后按照某些約束控制纖維進(jìn)行移動，達(dá)到解決纖維干涉或提高纖維分布隨機(jī)性的目的，例如初始周期振動法、分子動力學(xué)法等。這類方法可以生成較高纖維體積分?jǐn)?shù)的隨機(jī)纖維分布，但原理較為復(fù)雜，運(yùn)行時間較長。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法及設(shè)備，其旨在解決現(xiàn)有纖維分布的纖維含量較低的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，該方法包括以下步驟：

3、(1)設(shè)置rve的參數(shù)，并計(jì)算出rve窗口的尺寸和所需生成的纖維數(shù)量；所述參數(shù)包括目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)纖維半徑rf、晶格類型及歸一化晶格邊長α；

4、(2)通過隨機(jī)纖維生成來獲得第一目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)的纖維分布；

5、(3)將rve窗口劃分為周期性的晶格；

6、(4)將當(dāng)前的各纖維向最近的晶格中心移動；

7、(5)在rve窗口中添加新的纖維，進(jìn)而完成纖維隨機(jī)分布的生成。

8、進(jìn)一步地，步驟(1)包括以下子步驟：

9、步驟(1.1)：確定參數(shù)，所述參數(shù)包括目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)纖維半徑rf、晶格類型及歸一化晶格邊長α；其中晶格類型包括正六邊形晶格、正方形晶格，歸一化晶格邊長表示晶格長度與纖維半徑之比α＝l0/rf；

10、步驟(1.2)：根據(jù)步驟(1.1)中的參數(shù)可計(jì)算出rve窗口的尺寸和所需生成的纖維數(shù)量。

11、進(jìn)一步地，采用六邊形晶格劃分下rve窗口的長度l和寬度w分別為：

12、

13、采用正方形晶格劃分下rve窗口的長度l和寬度w分別為：

14、

15、需要生成的纖維數(shù)量ntar為：

16、

17、進(jìn)一步地，步驟(2)包括以下子步驟：

18、步驟(2.1)：以rve窗口的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，隨機(jī)生成新的纖維ftry＝(xtry,ytry)，xtry＝rand[-l/2,l/2]，ytry＝rand[-w/2,w/2]；

19、步驟(2.2)：比較該纖維是否與已有纖維重疊，若是則轉(zhuǎn)至步驟(2.1)，若否則接受該纖維，并判斷是否達(dá)到第一目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)，若是則結(jié)束，若否則轉(zhuǎn)至步驟(2.1)。

20、進(jìn)一步地，所述第一目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)的取值范圍為0～50％。

21、進(jìn)一步地，以rve窗口的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以rve窗口的左下方頂點(diǎn)為第一個晶格的中心，計(jì)算出rve窗口中包含的所有晶格中心，根據(jù)晶格中心坐標(biāo)對rve窗口進(jìn)行晶格劃分。

22、進(jìn)一步地，步驟(4)包括以下子步驟：

23、步驟(4.1)：比較纖維中心與待匹配的所有晶格中心的距離，取距離最近的晶格作為其最近晶格，并將該晶格移出待匹配晶格列表，纖維的移動方向定為以該纖維中心為起點(diǎn)，最近晶格中心為終點(diǎn)的方向；

24、步驟(4.2)：計(jì)算纖維沿該移動方向移動時的最大可移動距離

25、步驟(4.3)：判斷最大可移動距離是否大于或等于可移動距離閾值lthre，若是，則纖維的移動距離取間的隨機(jī)數(shù)；若否，則隨機(jī)指定纖維的移動方向，并轉(zhuǎn)至步驟(4.2)；其中還所述纖維可移動距離閾值lthre等于相鄰晶格中心與纖維直徑之差。

26、進(jìn)一步地，步驟(5)包括以下子步驟：

27、步驟(5.1)：隨機(jī)生成新的纖維ftry＝(xtry,ytry)，xtry＝rand[-l/2,l/2]，ytry＝rand[-w/2,w/2]；

28、步驟(5.2)：比較該纖維是否與已有纖維重疊，若是則轉(zhuǎn)至步驟(5.1)直至達(dá)到最大嘗試次數(shù)，當(dāng)嘗試次數(shù)達(dá)到最大嘗試次數(shù)時轉(zhuǎn)至步驟(4)，若否則接受該纖維，并判斷是否達(dá)到所需的纖維數(shù)量，若是則纖維生成結(jié)束，若否則轉(zhuǎn)至步驟(5.1)。

29、本發(fā)明還提供了一種基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括存儲器及處理器，所述存儲器儲存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時執(zhí)行如上所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法。

30、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)如上所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法。

31、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法及設(shè)備主要具有以下

32、有益效果：

33、1.本發(fā)明提供了一種基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，該方法原理簡潔，輸入?yún)?shù)少，運(yùn)行時間短，易于編程實(shí)現(xiàn)，能夠有效生成纖維體積分?jǐn)?shù)高達(dá)80％的纖維分布，為復(fù)合材料微觀力學(xué)數(shù)值研究中纖維分布的創(chuàng)建提供了一種簡單有效的方法。

34、2.將rve窗口劃分為周期性的晶格，將當(dāng)前的各纖維向最近的晶格中心移動，后在rve窗口中添加新的纖維，進(jìn)而完成纖維隨機(jī)分布的生成，本方法易于實(shí)施，實(shí)用性較強(qiáng)，有利于推廣應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，其特征在于：步驟(1)包括以下子步驟：

3.如權(quán)利要求2所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，其特征在于：采用六邊形晶格劃分下rve窗口的長度l和寬度w分別為：

4.如權(quán)利要求1所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，其特征在于：步驟(2)包括以下子步驟：

5.如權(quán)利要求4所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，其特征在于：所述第一目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)的取值范圍為0～50％。

6.如權(quán)利要求1所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，其特征在于：以rve窗口的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以rve窗口的左下方頂點(diǎn)為第一個晶格的中心，計(jì)算出rve窗口中包含的所有晶格中心，根據(jù)晶格中心坐標(biāo)對rve窗口進(jìn)行晶格劃分。

7.如權(quán)利要求1所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，其特征在于：步驟(4)包括以下子步驟：

8.如權(quán)利要求1所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法，其特征在于：步驟(5)包括以下子步驟：

9.一種基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括存儲器及處理器，所述存儲器儲存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時執(zhí)行權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布rve生成方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開了一種基于晶格劃分的纖維隨機(jī)分布RVE生成方法及設(shè)備，該方法包括以下步驟：(1)設(shè)置RVE的參數(shù)，并計(jì)算出RVE窗口的尺寸和所需生成的纖維數(shù)量；所述參數(shù)包括目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)纖維半徑r<subgt;f</subgt;、晶格類型及歸一化晶格邊長α；(2)通過隨機(jī)纖維生成來獲得第一目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)的纖維分布；(3)將RVE窗口劃分為周期性的晶格；(4)將當(dāng)前的各纖維向最近的晶格中心移動；(5)在RVE窗口中添加新的纖維，進(jìn)而完成纖維隨機(jī)分布的生成。該方法原理簡潔，輸入?yún)?shù)少，運(yùn)行時間短，易于編程實(shí)現(xiàn)，能夠有效生成纖維體積分?jǐn)?shù)高達(dá)80％的纖維分布。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧犇,閆澳迪,彭芳瑜,閆蓉,易家樂,李志杰,沈金國
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23