(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210646938.5 (22)申请日 2022.06.09 (71)申请人 北京工业大 学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园10 0号 (72)发明人 夏志东　魏晓杰　罗卫初　周炜　 (74)专利代理 机构 北京东方盛凡知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11562 专利代理师 王宁宁 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种平面形颗粒填充复合材料微观结构的 几何建模方法 (57)摘要 本发明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Vag的团聚体， 使团聚体互不相交地填充在 单元体内； 生成随机数并构建固定角度的填料坐 标矩阵G； 基于所述填料坐标矩阵G得到随机位相 的填料坐标矩阵Gθ； 基于所述随机相位的填料 坐标Gθ进行周期性构建， 并根据Gθ位置扩展得 到Gp矩阵； 基于所述Gp矩阵判断不同Gp之间是否 相互干涉； 基于所述Gp矩阵判断生成填料是否满 足指定的质量分数wt； 基于所获得的填料坐标编 写自动建模文件。 所建立的填料具有随机分布、 随机位相， 填料尺寸为正态分布大小， 互不干 涉， 满足周期性， 且部分填料考虑团聚。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115034061 A 2022.09.09 CN 115034061 A 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Vag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Gθ； 步骤四： 基于所述随机相位的填料坐标Gθ进行周期性构 建， 并根据Gθ位置扩展得到Gp矩 阵； 步骤五： 基于所述Gp矩阵判断不同Gp之间是否相互干涉； 步骤六： 基于所述Gp矩阵判断生成填料 是否满足指定的质量分数wt； 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Vag， 单元体内的团聚体个数Nag， 团聚体中每片填 料的尺寸大小As； 在固定位置生成不同旋转角度的Nj个填料， 每片大小为As， 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Vag， 从而得到所述体积分数为Vag的团聚体； 所述体积分数Vag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， Nj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+bx， y1， z1)、 G3(x1+bx， y1+bx， z1)、 G4(x1， y1+bx， z1)， bx为具有正态分布的随机 数， 其正态分布为bx～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； Gθ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Gθ， 从而得到随机位相的所述 填料坐标矩阵Gθ。 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Gp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Gp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Gp， 所述Gp包含 所述Gθ和复制平 移后的填料坐标矩阵。 6.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， 其权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115034061 A 2特征在于： 所述判断不同Gp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Gp‑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。 7.根据权利要求6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： 所述分离轴算法设定任意投影轴， 将第一片填料所有顶点坐标Gp‑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Gp‑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Gp‑x对投影轴作投影， 得到投影构建矩阵Tx， 依此类 推最后得到矩阵Tx+1， 然后分别进行T1、 T2…Tx与Tx+1的判断， 判断定则为是否MA X{Tx}>＝MIN {Tx+1}， 同时MIN{ Tx}<＝MAX{Tx+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。 8.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： 所述判断生成填料是否满足指定的质量分数wt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， bx为代表着填料边长的具有正态分布的随机数， 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。 9.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3D 建模软件的宏命令格式进行书写， 构建循环程序将所有平面形填料坐标自动建立点， 随后 构建循环程序每四个点进 行连线， 构建循环程序每四个线拉伸成一个曲面， 建立边长为a的 正方形单元体， 构建循环程序将所有在单元体外的填料部分强制切除， 在单元体内部的填 料将保留下来， 得到平面形填料复合材 料微观结构的几何模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115034061 A 3