Способ автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала
METHOD FOR AUTOMATIC CONSTRUCTION OF A HETEROGENEOUS FIBER INTERNAL STRUCTURE MODEL OF A COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области компьютерного проектирования и может быть использовано при решении задач дизайна внутренней структуры композиционных материалов (КМ), армированных волокнами.
Известен способ моделирования многокомпонентных изделий в компьютерных системах двух- и трехмерного проектирования, RU 2622211, G06F 17/50, G06T 17/00, опубл. 13.06.2017. В способе создают компьютерные модели требуемых промежутков между деталями, причем основная часть геометрии моделей промежутков определяется геометрией разделяемых ими деталей, а компонуемый объект формируется как совокупность компьютерных моделей деталей и промежутков.
Недостатком известного изобретения является отсутствие возможности задания компонентов внутренней структуры материала и оценки дисперсии и анизотропии локальных механических свойств, определяемых, в том числе, неравноосностью компонентов и наличием преимущественной ориентации их расположения.
Известен способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования, RU 2308763, G06F 17/50, G06T 17/00, опубл. 20.10.2007. Способ заключается в следующем: выбирают данные компьютерной математической модели (КММ), которые будут использованы для построения трехмерной геометрической модели (ТГМ) изделия, задают последовательность операций автоматического построения, считывают выбранные пользователем данные, преобразуют считанные данные в значения геометрических параметров изделия, извлекают из предварительно созданной базы данных трехмерные геометрические модели-примитивы, изменяют значения их параметров в соответствии с данными КММ, выполняют динамическое построение элементов изделия, трехмерные геометрические модели-примитивы которых отсутствуют в базе данных, помещают полученные ТГМ элементов изделия в ТГМ сборки изделия и накладывают сопряжения, фиксирующие положение каждого элемента изделия в сборке.
Недостатком известного изобретения также является отсутствие возможности дизайна внутренней структуры материала на масштабе отдельных фаз или армирующих элементов материала изделия.
Технологической проблемой заявляемого изобретения является разработка способа автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала, позволяющей получить модель гетерогенной волокнистой структуры композиционного материала с заданными параметрами, которая может быть интегрирована в современные программные комплексы для компьютерного моделирования с использованием лагранжевых численных методов.
Технический результат также заключается в обеспечении автоматизированного создания модели объекта, учитывающей геометрические характеристики отдельных волокон (в том числе изогнутость) и их пространственную ориентацию в модели.
Указанный технический результат достигается тем, что способ автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала (КМ) включает считывание входных данных образца КМ и выполнение последовательности операций автоматического построения, причем входные данные заданы произвольно или выбраны из данных о реальном объекте.
При этом в качестве входных данных используют:
- геометрические характеристики исходного образца КМ;
- интервал допустимых значений геометрических характеристик волокон в образце КМ, включая превалирующую пространственную ориентацию в образце КМ;
- объемную долю включений (волокон) в образце КМ.
Последовательность операций автоматического построения модели КМ включает:
- считывание входных данных, представленных в виде текстового файла, или их задание через графический интерфейс;
- оценивание количества волокон в модели КМ;
- определение конкретных геометрических характеристик каждого волокна в модели КМ;
- разбиение исходного образца на элементы с целью осуществления контроля пересечения волокон друг с другом и их выхода за габариты образца; размер ячеек определяет величину погрешности при выполнении
- последовательное выполнение следующего набора операций для размещения каждого волокна в модели КМ: определение пространственного положения каждого волокна в объеме модели КМ и функции, описывающей изогнутый профиль волокна; определение элементов модели, которые принадлежат волокну; контроль пересечения волокон друг с другом и их выхода за габариты исходного образца; повторение перечисленного набора операций для включения в случае неуспешного прохождения контроля; контроль достижения заданной объемной доли волокон в модели КМ и окончание размещения волокон при выполнении данного условия;
- интеграция созданной модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ с выбранным вычислительным методом для дальнейшей обработки, проведения расчетов и визуализации.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в автоматизированном выполнении последовательности операций, направленных на построение компьютерной модели композиционного материала с гетерогенной волокнистой внутренней структурой, параметры которой максимально соответствуют входным данным, которые заданы произвольно или соответствуют параметрам реального КМ.
В рамках предлагаемого изобретения под входными данными понимают:
– геометрические характеристики исходного образца;
– интервал допустимых значений геометрических характеристик волокон в образце КМ, включая превалирующую пространственную ориентацию в образце;
– объемную долю волокон в образце КМ.
Геометрические характеристики (параметры) исходного образца КМ включают его внешние границы и внутренние контуры (если образец содержит несплошности, или некоторые области образца не должны быть заполнены волокнами, фиг. 1) в некоторой декартовой системе координат.
Геометрические характеристики волокон в модели содержат: минимальное расстояние между волокнами; среднее значение длины волокон, допустимый интервал отклонения длины волокон от среднего значения, а также тип и параметры функции дисперсии длины волокон; среднее значение диаметра волокон, допустимый интервал отклонения диаметра волокон от среднего значения, а также тип и параметры функции дисперсии диаметра волокон; средние значения углов наклона осей волокон, определяющие их ориентацию в системе координат модели, допустимый интервал отклонения углов наклона от средних значений, а также тип и параметры функции дисперсии углов наклона осей волокон; параметры изогнутости профиля волокон. Параметры изогнутости профиля волокон включают: среднее значение амплитуды отклонения участков волокна от прямой линии, допустимый интервал разброса амплитуд отклонения участков волокон от прямой линии, а также тип и параметры функции дисперсии амплитуды; среднее расстояние между опорными точками на оси волокна, в которых отклонение профиля волокна от прямой линии должно быть равно значению амплитуды для данного волокна, допустимый интервал вариации расстояния между опорными точками около среднего значения, а также вид и параметры функции дисперсии расстояния между опорными точками; минимальное разрешенное расстояние от опорных точек до крайних точек линии оси волокна.
Изобретение поясняется фигурами 1-7.
На фиг. 1 представлен пример геометрической структуры двумерного исходного образца КМ.
На фиг. 2 представлена схема разбиения образца КМ на элементы.
1
1
2
2
На фиг. 3 представлен пример определения координат крайних точек включения (x;y) и (x;y), которые определяются с использованием генератора случайных чисел. Линией показана ось волокна.
3
3
4
4
1
1
2
2
На фиг. 4 представлен пример построения аппроксимационной функции волокна (показана сплошной изогнутой линией) по двум опорным точкам волокна (x;y) и (x;y), в которых отклонение линии волокна от прямой (изображена пунктиром) является максимальным, и двум крайним точкам волокна (x;y) и (x;y).
На фиг. 5 представлены элементы (показаны темно серым цветом), координаты которых находятся в пределах координатной области, занятой изогнутым волокном заданного диаметра.
На фиг. 6 представлена блок-схема алгоритма автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ.
На фиг. 7 представлен пример интеграции созданной двумерной модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ с методом подвижных клеточных автоматов. Светло серым цветом показаны автоматы, моделирующие матрицу, темно-серым – волокна.
Последовательность операций автоматического построения модели КМ представлена в виде блок-схемы на фиг. 6:
- Считывание входных данных, представленных в виде текстового файла, или их задание через графический интерфейс.
- Разбиение исходного образца на элементы (фиг. 2).
- Оценивание количества волокон в модели КМ, которое соответствует заданной объемной доли волокон в образце КМ.
- Определение конкретных значений геометрических характеристик каждого волокна в модели КМ (длины, диаметра и пространственной ориентации волокна в системе координат модели). Конкретные значения параметров, для которых заданы диапазоны значений и функции дисперсии, определяются с использованием генератора случайных чисел и заданных дисперсионных функций.
- Последовательное размещение волокон в объеме модели с использованием генератора случайных чисел согласно следующей процедуре, выполняемой для каждого волокна:
1
1
2
2
а) с использованием генератора случайных чисел определяются координаты крайних точек волокна, характеризующегося определенными выше значениями длины и углов наклона в системе координат модели; крайними точками волокна считаются крайние точки на его оси (точки (x;y) и (x;y) на фиг. 3);
б) на основе входных данных с использованием генератора случайных чисел определяется положение опорных точек на оси волокна и амплитуда отклонения линии волокна от оси волокна;
в) для каждой опорной точки волокна определяется ориентация вектора нормали к оси волокна (длина вектора нормали равна амплитуде отклонения положения линии волокна от прямолинейной оси волокна); координаты конца вектора нормали соответствуют новому положению опорной точки – на линии изогнутого волокна);
г) построение апроксимационной функции (фиг. 4) волокна (функции, которой принадлежат крайние точки волокна и точки, определенные в пункте (в));
д) определение элементов, координаты которых соответствуют координатам волокна, путем сравнения координат элементов с габаритами волокна, характеризуемыми построенной аппроксимационной функцией линии волокна и диаметром волокна (фиг. 5);
е) проверка пересечения нового волокна с уже существующими включениями, а также контурами областей исходного образца, в которых разрешено размещение волокон; в случае неудовлетворительного результата выполнение этапов а) – е) процедуры для размещаемого волокна повторяется.
ж) проверка достижения заданной объемной доли волокон в модели КМ; процедура размещения волокна завершается в случае достижения заданной объемной доли волокна (заданная объемная доля волокон оценивается как отношение числа элементов, принадлежащих волокнам, к общему числу элементов в модели).
Далее осуществляют интеграцию созданной модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ с выбранным вычислительным методом (например, методом подвижных клеточных автоматов, фиг. 7, либо методом дискретных элементов, методом конечных элементов и т.д.) для дальнейшей обработки, проведения расчетов и визуализации результатов.
Использование предлагаемого изобретения позволит:
- Минимизировать материальные и временные затраты на создание модели композиционного материала, одним из компонентов которого являются волокна;
- Возможность моделирования сложной волокнистой внутренней структуры композиционных материалов;
- возможность учета специфики внутренней структуры КМ с наполнителем в виде волокон различного размера и направленности (ориентации);
- Достаточно высокая совместимость компьютерных моделей, созданных предлагаемым способом, с различными вычислительными методами и различными вычислительными программными комплексами.