[发明专利]一种多形态颗粒增强复合材料三维细观结构建模方法

权利要求书

1.一种多形态颗粒增强复合材料三维细观结构建模方法，其特征在于，建立一定体积分数的多种形态颗粒的颗粒增强复合材料三维细观结构模型，颗粒的形状为随机多面体，随机多面体颗粒可通过三角剖分法、多边形拉伸法、多面体圆切法生成，将建立的细观结构模型一定的格式存储到数据文件中，可用MATLAB显示细观结构模型，并利用ABAQUS的脚本语言Python读取数据文件中的细观几何模型数据，在ABAQUS中建立三维细观模型；所述的三角剖分法，首先随机创建一个椭球体，然后在椭球体上随机选取n个点，利用Delaunay剖分算法获取组成多面体颗粒的三角形面；所述的多边形拉伸法，首先在XY平面上创建一个随机的多边形，然后将上述创建多边形的顶点，分别向上和向下移动一定的距离，得到拉伸后的棱柱形多面体；所述的多面体圆切法，首先在多面体颗粒内部生成一个略小于多面体颗粒的椭球体，然后取椭球体上的任意一点的切平面对多面体颗粒进行切割，得到新的多面体颗粒；被切割的多面体颗粒为三角剖分法或多边形拉伸法创建；所述的对多面体颗粒进行切割，具体过程为：在椭球体上随机取一点P_t(x′,y′,z′)，以该点相切的面为切割平面，切割平面以点法式来表示，点P_t处的法向量为切割平面记为F(P_t,n)，设长方体的六个面分别为A₁-A₆，第i个面上的顶点首尾连接组成边为L_i1-L_i4，第i个面上的第j条边，记为L_ij，用两点式来表示线段的方程，切割后产生的面的点集记为{P_cut}，被切割后的A_i面上的点为{P_icut}，依次取6个面分别与上述切割平面进行切割计算；依次计算A_i面上的点是否位于切割平面F(P_t,n)的内侧，即位于椭球球心一侧，如果都位于内侧，则A_i面不被切割；如果都位于外侧，则从多面体的面中删除A_i面；如果不全位于内侧，则A_i面与切割平面相交；Ai面与切割平面相交时的切割过程具体为：依次获取该面的边L_ij与切割平面是否相交，如果L_ij与切割平面不相交且位于切割平面内侧，则保留此边的点到{P_icut}；如果L_ij与切割平面不相交且位于切割平面外侧，不做任何操作，即删除L_ij；如果L_ij与切割平面相交，则保留交点和位于切割平面内部的首点到{P_icut}，同时保留交点到{P_cut}；如果不是首点，则只保留交点到{P_icut}，同时保留交点到{P_cut}；依次计算六个面后，六个面都会被切割，同时由于多面体中会存在两个面共边的情况，所以点集{P_cut}中会存在相同的点，将{P_cut}中重复的点去除，剩余的点按顺序首尾连接组成的面即为切割得到的面；所述的细观结构模型的数据文件格式，同时存储上述 三种方法及三种方法复合方法创建的多面体颗粒的几何信息和基体的几何信息；其中PRMMCs为根节点，其下有两个子节点，分别为基体几何信息节点Matrix和颗粒几何信息节点Particle；Matrix节点的子节点Limits保存基体的几何尺寸,默认基体以坐标原点为基体的中心；Particle节点下有n个多边形颗粒子节点Polyhedral,该节点的属性信息包括多面体的序号、体积、中心坐标，该节点还有多面体顶点节点PolyPoints和多面体面节点PolyFaces,其中PolyPoints节点有若干个子节点Points，其属性包含顶点的三维坐标值；PolyFaces节点属性包含面的序号、面积、面的中心坐标，该节点下有若干个若干组成该面的顶点节点FacePoint,其属性包含顶点序号、顶点坐标；所述的在ABAQUS中建立三维细观模型，是利用ABAQUS的脚本语言Python读取数据文件中多面体颗粒信息，用WirePolyLine()函数创建多面颗粒的边，然后利用CoverEdges()函数利用组成面的边来生成面，最后利用AddCells()函数将面来生成实体，重复上述过程，可完成其他所有颗粒的创建， 颗粒的名称为“Polyhedral-i”，其中i为多面体颗粒的数目， 采用拉伸的方法创建基体，命名为“Matrix”；然后将所有的颗粒和基体零件导入到装配模块中，并依次从基体中减去所有的颗粒，从而生成一个带有空洞的基体的几何体，将其重命名为“Matix-1”，并删除装配体中所有的零件；然后将所有的颗粒和基体“Matrix-1”一起导入到装配体中，三维细观模型建立完成；所述的三种方法创建的颗粒具有不同的形状，三角剖分法多面体颗粒的面均为三角形；多边形拉伸法多面体颗粒上顶面和下底面为多边形，侧面均为矩形；多面体圆切法对长方体颗粒进行随机切割，切割后的多面体颗粒的面可能为任意多边形；多面体圆切法对三角剖分法多面体颗粒进行随机切割，切割后的多面体颗粒不再只含有三角形的面，形状更加多样；多面体圆切法对多边形拉伸法的颗粒进行分割，切割后的颗粒底面和侧面的形状都会发生变化，不再是单纯的棱柱体。