CN107730434A - 一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法 - Google Patents

Abstract

一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法，本发明涉及由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法。本发明为了解决对复合材料进行计算机模拟时，单一软件内的数值模型所含信息不够完整，以及部分软件相关文件占用存储空间较大的问题。本发明包括：步骤一：对点云模型和材料信息数据进行初始化；步骤二：确定输入的两相复合材料细观数值模型的空白区域；步骤三：根据数值模型几何信息对数值模型进行处理；步骤四：向点步骤一初始化后的点云模型中的点输入材料信息，得到带有材料信息的点云模型。本发明可节省存储空间50％以上，且用户输入的数据信息越多，节省空间越多本发明用于复合材料计算机模拟领域。

Description

一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法

技术领域

本发明应用于复合材料计算机模拟领域，具体涉及一种构造两相复合材料细观尺度点云模型的方法。

背景技术

随着带有增强相夹杂的混杂型复合材料，如混凝土、陶瓷增强铝材等材料在各个领域的日益普及，人们对其生产、设计的精度要求也越来越高。于是就需要研究人员能够更深入地了解复合材料在一定工况下的响应规律及其本质。因此，主要研究尺度在10纳米到毫米量级范围内的细观力学，因其能够合理、全面地解释毫米量级以上，即宏观尺度上复合材料的力学行为，而受到多方研究人员的重视。

两相复合材料是一种基本的、较为常用的复合材料，是一种仅由基体和夹杂(增强相材料)两种材料组合而成的两相混合物，如陶瓷增强铝材。同时，两相复合材料的模型比较具有代表性，一些由三种或更多成分组成的复合材料(如纤维加强混凝土、纤维加强陶瓷铝材等)也可以根据情况简化为两相复合材料进行研究。所以，在计算机上建立两相复合材料的数值模型，具有相当的必要性和重要意义。

目前建立两相复合材料数值模型的方法主要是通过一定的规则生成数值模型。

但使用该方法建立的两相复合材料数值模型的方法存在一个问题：此时得到的数值模型只有几何属性，而没有其它信息。当以上述数值模型为分析对象时，需要由使用者在其它软件中调用该具有几何属性的数值模型，并输入复合材料的其它信息，如力学性能、热力学参数、电磁性质参数等，才能进行后续分析。也即是说，单一软件内的数值模型所含的信息是不够完整的，这样就造成了调用或读取复合材料有关信息时往往需要在多个不同的软件上分别进行，因暂无通用的传递信息的手段，现阶段在各个软件之间传递信息的操作常以用户手动操作的方式实现，此类操作复杂繁琐，出错率高且影响整体工作效率。另外，部分软件相关文件体积较大，占用存储空间较多。

所以生成一个含有更完整信息的、占用存储空间尽可能小的两相复合材料细观尺度数值模型，成为了复合材料计算机模拟领域亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决对复合材料进行计算机模拟时，单一软件内的数值模型所含信息不够完整，以及部分软件相关文件占用存储空间较大的问题，而提出一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法。

一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法包括以下步骤：

步骤一：对点云模型和材料信息数据进行初始化；

步骤二：确定输入的两相复合材料细观数值模型的空白区域；

步骤三：根据数值模型几何信息对数值模型进行处理；

步骤四：向点步骤一初始化后的点云模型中的点输入材料信息，得到带有材料信息的点云模型。

本发明具有如下有益效果：

本发明采用点云模型为基础，而点云模型实际上是带有数据的点的集合。每个点所携带的信息包括其所在空间位置以及使用者输入的复合材料有关的信息，如力学性能、热力学参数、电磁性质参数等。这样就能保证点云模型所携带的信息是完整的，能够满足使用人员的全部需求的。故本发明具有以下效果：单个模型中包含信息量更大。

以本发明所述方法生成的点云模型具有通用性，不受软件限制，适用于在多个不同的软件之间进行复合材料有关信息的传递，降低了在各个软件之间传递信息的复杂程度，减少了使用者的手动操作，从而降低了人工失误的风险。

点云模型占用的存储空间与文件格式、用户输入的点之间的间距有关，各个软件中此部分所占用的存储空间基本相同，但是本发明中使用者附加的信息仅通过编号与有限个数据相关。采用本发明所述的信息存储方式较其他直接附加信息的方法，可节省存储空间50％以上，且用户输入的数据信息越多，节省空间越多。故本发明在包含相同信息量的前提下，占用存储空间更小。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明方法所述初步处理几何信息的流程图；

图3是本发明方法处理单列数据的流程图；

图4是本发明方法初始化点云模型(为显示方便，特意增大了间距)；

图5是本发明方法所处理的数值模型(其中六边形内部的白色为基体，六边形外部的灰色区域为空白区域)；

图6是本发明方法中需要赋值的夹杂对应的点(为显示方便，特意增大了间距)。

图7是本发明方法实施例一步骤四处理的列中部分点及其标号。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法包括以下步骤：

步骤一：对点云模型和材料信息数据进行初始化；

步骤二：确定输入的两相复合材料细观数值模型的空白区域；

步骤三：根据数值模型几何信息对数值模型进行处理；

步骤四：向点步骤一初始化后的点云模型中的点输入材料信息，得到带有材料信息的点云模型。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：如图4所示，所述步骤一中对点云模型和材料信息数据进行初始化的具体过程为：

初始化点云模型：

根据用户输入的各点之间的间距，在用户输入的空间内布满点，形成初始化的点云模型，此时点云模型内的点除了自带的位置信息外，不包含任何其它信息；

初始化材料信息数据：

将材料信息数据根据类型(如力学性能、热力学性能、电磁性能等)分为N组，N取输入的数据个数的二分之一，每个组内数据类型均相同，且只包含两个数据，分别对应基体和夹杂的材料信息。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中空白区域为用户输入的空间里除去数值模型以外的部分，空白区域内的点不需要进行后续处理。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中根据数值模型几何信息对数值模型进行处理的具体过程为：

根据数值模型几何信息对其进行处理，具体来讲，首先判断夹杂表面是否为复杂表面，将平面与二次曲面称为基本面，其它面为复杂表面，复杂表面由s个基本面构成，若夹杂表面是复杂表面，则以基本面方程的定义域上下限所对应的曲线为边界，将夹杂表面划分为s个基本面，使用数学方程表示所有面；

建立符合右手法则右手法则的笛卡尔空间直角坐标系，根据按Y向和Z向坐标将所有面进行分类，即夹杂表面内含有相同的Y坐标和Z坐标的点(广义上的点，不是点云模型内的点)为一列(也即是说，同一个面可能属于好几个列)。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中向点步骤一初始化后的点云模型中的点输入材料信息，得到带有材料信息的点云模型的具体过程为：

逐列向点云模型中的点输入信息，每列的处理方法如图3所示。假设当前需要输入的信息为{M₁,M₂}(可能是许多成对信息中的一组)，分别以编号m₁和m₂代表这两个信息，向点云模型中的点输入信息时仅输入编号，调用时根据编号可以查找到实际信息，这样可以大幅节省存储空间；定义当前列的点依次为A₁，A₂，…,A_n；

步骤四一：根据实际情况给当前列的第一个点A₁赋初始值a₁，a₁∈{m₁,m₂}；

步骤四二：依次判断线段A₁A₂是否与当前列的面相交，如果相交，则给点A₂赋值not(a₁)，其中not(a₁)表示m₁和m₂中不等于a₁的值，执行步骤四三；否则，当测试完所有面(即完成当前循环)后，若没有找到相交的面，则给点A₂赋与点A₁相同的值a₁，执行步骤四三；

步骤四三：重复执行步骤四二处理点A₃,A₄，直至处理完成当列所有点，执行步骤四四；

步骤四四：重复执行步骤四一至步骤四三，处理下一列数据，直到完成所有列数据的处理。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

实施例一：

步骤一：初始化。具体包括：

1.初始化点云模型：根据用户输入的各点之间的间距，在指定空间内布满点，形成初始化的点云模型，此时点云模型内的点除了自带的位置信息外，不包含任何其它信息；

2.初始化材料信息数据，本实例输入的信息为材料的力学性能，分别为弹性模量{E₁,E₂}和泊松比{μ₁,μ₂}，编号1和2分别对应基体和夹杂的材料信息。

步骤二：确定输入的数值模型的空白区域

初步处理数值模型的几何信息，根据图5所示的数值模型确定空白区域，空白区域内的点不需要进行后续处理，刨除空白区域后，所有需要处理的点的集合如图6所示；

步骤三：根据数值模型几何信息对数值模型进行处理

如图2所示，根据数值模型几何信息对其进行处理，具体来讲，首先判断夹杂表面是否为复杂表面，将平面与二次曲面称为基本面，其它面为复杂表面，若表面是复杂表面，则将其划分为基本面。然后使用数学方程表示所有面，再按Y向和Z向坐标将其进行分类。具体来讲，只要夹杂表面内含有相同的Y坐标和Z坐标的点(广义上的点，不是点云模型内的点)，即该夹杂的表面视为一列。(也即是说，同一个面可能属于好几个列)

步骤四：向点云模型中的点输入材料信息。具体来讲，逐列向处理向点云模型中的点输入信息，每列的处理方法如图3所示。当前需要输入的信息为：基体和夹杂的弹性模量{E₁,E₂}和泊松比{μ₁,μ₂}，分别以编号1和2代表这两个信息。具体来讲，通过编号1可以调用基体的弹性模量E₁和泊松比μ₁；通过编号2可以调用夹杂的弹性模量E₂和泊松比μ₂。

向点云模型中的点输入信息时仅输入编号，调用时根据编号可以查找到实际信息，这样可以大幅节省存储空间。

以本实例中某一列为例，具体说明步骤四中的单列数据处理方法：

首先根据实际情况，如图7所示即第一点为基体给当前列的第一个点A₁赋初始值a₁，a₁＝1，然后依次判断线段A₁A₂是否与当列的面相交，实际上该线段没有与面相交，则将给点A₂赋与点A₁相同的值1，然后参照相同的方法继续处理点A₃,A₄,…，本例中，直到测试线段A₂₅A₂₆时，才发现其与本列中的面相交，则点A₂₆赋2，而点A₂～A₂₅均赋值为1；当测试到线段A₇₆A₇₇时，发现其与本列中的面相交，则点A₇₇赋1，而点A₂₆～A₇₆均赋值为2；依此类推，直到完成。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法，其特征在于：所述由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法包括以下步骤：

步骤一：对点云模型和材料信息数据进行初始化；

步骤二：确定输入的两相复合材料细观数值模型的空白区域；

步骤三：根据数值模型几何信息对数值模型进行处理；

步骤四：向点步骤一初始化后的点云模型中的点输入材料信息，得到带有材料信息的点云模型。

2.根据权利要求1所述的一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法，其特征在于：所述步骤一中对点云模型和材料信息数据进行初始化的具体过程为：

初始化点云模型：

根据用户输入的各点之间的间距，在用户输入的空间内布满点，形成初始化的点云模型；

初始化材料信息数据：

将材料信息数据根据类型分为N组，N取输入的数据个数的二分之一，每个组内数据类型相同，且只包含两个数据，分别对应基体和夹杂的材料信息。

3.根据权利要求2所述的一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法，其特征在于：所述步骤二中空白区域为用户输入的空间里除去数值模型以外的部分，空白区域内的点不需要进行后续处理。

4.根据权利要求3所述的一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法，其特征在于：所述步骤三中根据数值模型几何信息对数值模型进行处理的具体过程为：

首先判断夹杂表面是否为复杂表面，将平面与二次曲面称为基本面，其它面为复杂表面，复杂表面由s个基本面构成，若夹杂表面是复杂表面，则以基本面方程的定义域上下限所对应的曲线为边界，将夹杂表面划分为s个基本面，使用数学方程表示所有面；

建立符合右手法则的笛卡尔空间直角坐标系，根据Y向和Z向坐标将所有面进行分类，即夹杂表面内含有相同的Y坐标和Z坐标的点为一列。

5.根据权利要求4所述的一种由两相复合材料细观数值模型生成点云模型的方法，其特征在于：所述步骤四中向点步骤一初始化后的点云模型中的点输入材料信息，得到带有材料信息的点云模型的具体过程为：

逐列向点云模型中的点输入信息，假设当前需要输入的信息为{M₁,M₂}，分别以编号m₁和m₂代表这两个信息，向点云模型中的点输入信息时仅输入编号；定义当前列的点依次为A₁，A₂，…,A_n；

步骤四一：给当前列的第一个点A₁赋初始值a₁，a₁∈{m₁,m₂}；

步骤四二：依次判断线段A₁A₂是否与当前列的面相交，如果相交，则给点A₂赋值not(a₁)，其中not(a₁)表示m₁和m₂中不等于a₁的值，执行步骤四三；否则，当测试完所有面后，若没有找到相交的面，则给点A₂赋与点A₁相同的值a₁，执行步骤四三；

步骤四三：重复执行步骤四二处理点A₃,A₄，直至处理完成当列所有点，执行步骤四四；

步骤四四：重复执行步骤四一至步骤四三，处理下一列数据，直到完成所有列数据的处理。