申请/专利权人：南京航空航天大学

申请日：2020-08-14

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN112115627B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06F113/26;G06F119/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2021.01.08#实质审查的生效;2020.12.22#公开

摘要：本发明公开了一种高纤维体积含量的单丝随机位置的生成方法，涉及复合材料技术领域，包括如下步骤：1、初始纤维分布位置及初始速度的给定；2、纤维碰撞和纤维‑窗口碰撞方法的建立；3、完全周期性边界条件的实现；4、空间大小识别与纤维体积含量的增加；5、统计学评估与有限元模型验证。在高纤维体积含量的纤维分布随机模型建立后，通过统计学分析、纤维束刚度和强度的预测与试验对比验证模型的可靠性。本发明可以生成具有良好随机性的高纤维体积含量的纤维单丝几何模型，模型具有完全周期性边界条件，真实地反映纤维在复合材料的空间分布，可用于建立细观尺度纤维束有限元模型，进行纤维束强度和刚度性能预测。

主权项：1.一种高纤维体积含量的单丝随机位置的生成方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1.1、初始纤维分布位置及初始速度的给定：在给定纤维体积含量、纤维半径、窗口长度和窗口高度的基础上，通过密排六方分布方法给出每个纤维点的初始排布位置x,y；通过随机数生成函数给定每个纤维的初始随机速度u,v；步骤1.2、纤维碰撞和纤维-窗口碰撞方法的建立：设置纤维-纤维和纤维-壁面碰撞条件，当纤维位置满足该条件时，进行纤维的速度更新和位置确定，实现纤维在窗口范围内的随机运动；其中，所述纤维碰撞和纤维-窗口碰撞方法的建立包括纤维-纤维之间的碰撞、纤维-壁面的碰撞及纤维随机位置的确定；具体的的操作步骤如下：1.2.1、纤维-纤维之间的碰撞：其条件为： 式中，表示纤维1到纤维2的距离，lmin1表示给定的纤维碰撞距离；其中，当纤维间距小于lmin1时，则纤维-纤维之间发生碰撞；碰撞后实现纤维的速度更新，防止纤维出现重叠，更新过程为： 式中，表示由纤维2指向纤维1的矢量，表示由纤维1指向纤维2；分别表示t时刻和t+Δt时刻纤维间切向速度；是t时刻和t+Δt时刻纤维间法向速度；1.2.2、纤维-壁面的碰撞：其条件为： 式中，表示纤维整体距离窗口的最小距离，lmin2表示定义的纤维碰撞距离；当纤维间距小于lmin2时，则纤维-壁面发生碰撞，通常为：lmin1＝lmin2当纤维-壁面发生碰撞后，进行纤维速度更新，以限制纤维在窗口范围内运动，更新机制为： 式中，表示纤维i在t时刻和t+Δt沿x轴方向的运动速度；表示纤维i在t时刻和t+Δt沿y轴方向的运动速度；w表示窗口宽度，h表示窗口高度，r表示纤维半径；1.2.3、纤维随机位置的确定：进行了纤维速度更新后，由纤维位置和速度可获得其下一时间步位置： 式中，分别表示纤维i在时间t和下一时间步t+Δt的x坐标；Yit+Δt,Yit分别表示纤维i在时间t和下一时间步t+Δt的y坐标；分别表示纤维i在时间t的x和y方向速度；Δt表示时间步增量；步骤1.3、完全周期性边界条件的实现：通过在对称边界设置对称纤维分布实现整个模型的周期性；所述完全周期性边界条件实现的具体方法是：当纤维部分穿过窗口边界时，在对应边界生成对称的纤维，以左、下边界为例，具体方法为：1.3.1、对于左边界：当纤维i超出左边界时，在对应右边界共增加1个对称纤维，其坐标分别为：XN+1＝Xi+wYN+1＝Yi其中，Xi、Yi表示穿过窗口边界的纤维i的x和y方向坐标，XN+1、YN+1表示相对应增加的对称纤维x和y方向坐标，w表示窗口宽度；1.3.2、对于下边界：当纤维j超出下边界时，在对应上边界共增加1个对称纤维，其坐标分别为：XN+1＝XjYN+1＝Yj+h其中，Xi、Yi表示穿过窗口边界的纤维j的x和y方向坐标，XN+1、YN+1表示相对应增加的对称纤维x和y方向坐标，h表示窗口高度；1.3.3、对于左、下边界：当纤维k超出左、下边界时，在对应右、上边界共增加3个对称纤维，其坐标分别为： 其中，Xk、Yk表示穿过窗口边界的纤维j的x和y方向坐标，XN+1、YN+1、XN+2、YN+2、XN+3、YN+3表示相对应增加的三个对称纤维的x和y方向坐标，w表示窗口的宽度，h表示窗口的高度；步骤1.4、空间大小识别与纤维体积含量的增加：将窗口栅格化，识别栅格点周边空间大小，实现纤维的添加；所述空间大小识别与纤维体积含量的增加的具体操作方法如下：为生成高纤维体积含量几何模型，通过空间大小识别方法分析纤维周边空间，进而添加纤维，上述过程包括添加大纤维、添加小纤维及增加小纤维直径三部分：1.4.1、添加大纤维：将窗口栅格化，对每一个栅格点与纤维距离进行统计，获得距离每一栅格点最近的纤维距离，将这一距离定义为最小纤维距离；通过比较每一栅格点的最小纤维距离，选择其中最大值处添加一个半径为r的纤维；其速度定义为：UtN+1＝-Uti式中，UtN+1表示新添加的纤维在t时刻的速度，Uti表示距离新纤维最近的纤维的速度；1.4.2、添加小纤维：当所有栅格点的最小纤维距离满足：rz≤r+lmin1式中，rz表示当所有栅格点的最小纤维距离；在具有最大的最小纤维距离的栅格点处添加小纤维，其半径为：r0＝rz-lmin11.4.3、增加小纤维直径：为增加小纤维的直径，需要扩大纤维周边空间，通过给定周边纤维逃逸速度来实现： 式中，表示周边纤维在t和t+Δt时刻与小纤维间的切向速度；和表示周边纤维在t和t+Δt时刻与小纤维间的法向速度；表示小纤维到周边纤维i的方向向量；k表示逃逸速度，控制纤维i远离小纤维的快慢；步骤1.5、统计学评估与有限元模型验证：利用统计学分析方法对模型生成纤维的随机性进行评估；在纤维随机分布几何模型基础上建立纤维束刚度和强度预测的有限元模型，通过不同温度条件下T800EC230R复合材料性能试验与预测结果的对比，验证纤维随机分布几何模型的可靠性。

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百度查询： 南京航空航天大学 一种高纤维体积含量的单丝随机位置的生成方法

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