CN112380741A - 一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法；主要包括几个步骤：(1)生成随机纤维网格模型，计算孔隙率；(2)识别与提取网格模型中结点、节点坐标信息；(3)判断哪些点构成矢量节点对；(4)根据节点对定义单元的节点信息及梁单元信息；(5)在有限元模型结点处以一定概率生成弹簧单元；(6)定义有限元计算设置及模拟细节，完成计算文件Inp文档的自动生成。建模过程中，通过调控节点的采集间隔可以调控纤维离散程度及有限元模型中梁单元的尺寸。另外，使用弹簧单元连接属性替代结点处的刚性连接，使网格模型结点属性与实际力学更接近。本发明的方法实现图像处理、重建结构模型、构建有限元模型及计算模拟的一步到位。
Description
技术领域
本发明属于计算机辅助工程领域，涉及有限元模型生成及数值模拟技术领域，具体涉及一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法。
背景技术
实验研究是一种有力、客观的研究手段，但是实验也存在一定的局限性，受各方面因素影响，有时候实验误差会导致结论不够准确。另外，一些周期过长、重复次数多、实现难度高的实验有较大的阻力，于是研究者们采用计算机辅助设计、工程研究来进行辅助验证甚至代替。有限元模拟是计算机数值计算的一类有效方法，需要先建立精确的结构模型，并确立符合实际的材料属性，定义精准的边界条件，才能获得有价值的仿真结果。
近年来，随着电子显微镜的发展，材料的微观结构可以由扫描电镜获取清晰的图像，而随着有限元技术的广泛应用，基于图像的微观结构重建模型及其有限元模拟研究正在日益增长。目前针对纤维网格的建模方法主要是根据统计信息进行随机纤维的生成，文献(Journal of the European Ceramic Society,2020,40(1):115-126)即针对陶瓷纤维网格进行了纤维模型的构建，实现了3D纤维模型的建立。但是由于对纤维进行简化生成，导致纤维的形貌与真实微观形貌有一定差异，并且其方法没有对纤维间“结合点”进行特殊处理。另外，该建模过程为多步组成，无法实现建模、模拟的一步到位。
对纤维网格的生成往往需要图像信息，以及遵从一定的分布函数，往往难以做到一步到位，需要人工干预。而且建模与模拟往往是分开的，需要借助有限元软件使用模型进行有限元模拟。于是本发明提供一种基于Matlab编程的面向随机网格模型的图像处理、建模及模拟一体化方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法，可以实现图像处理、纤维模型离散化、将纤维图像转换成梁单元有限元模型、定义材料属性与边界条件、定义计算分析需求与结果输出，可以高效便捷地完成有限元模型的建立以及计算所需的参数定义，而且在纤维结合点出引入弹簧单元来代替原结点的刚性连接。最后直接生成Inp文档，可以直接应用于有限元模拟计算。值得注意的是，整个过程无需建模软件与有限元模拟软件的手动操作。
本方法先生成一个随机的纤维网格模型，并进行图像处理，提取结点、节点信息，然后通过判断点的连接性直接将离散的纤维网格模型转换成有限元梁单元模型，最终直接生成一个Input文件，进行单元与节点以及材料属性与边界条件的定义，可以直接应用于Abaqus软件进行有限元计算。本方法实现了图像处理、重建结构模型、构建有限元模型及计算模拟的一步到位。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法，所述方法包括以下步骤：
(1)生成随机纤维网格模型，计算孔隙率；
(2)识别与提取网格模型中结点、节点信息，并构建节点库；
(3)判断哪些点构成矢量节点对，所述点为结点和节点；
(4)构建有限元模型，根据节点对定义单元的节点信息及梁单元信息；
(5)在有限元模型结点处以一定概率生成弹簧单元；
(6)定义有限元计算设置及模拟细节，完成计算文件Inp文档的自动生成。
进一步地，所述建模方法中，使用编程实现建模及模拟一体化；核心技术是将纤维模型中的纤维离散化后直接转换成梁单元有限元。
进一步地，所述建模方法中，提出一种将纤维模型中的纤维离散化后直接转换成梁单元有限元模型的方法。
进一步地，所述建模方法中，步骤(1)中包括以下步骤：
1)根据纤维长度、宽度分布数据及数量调控，自编程生成随机网格；
2)计算网格模型孔隙率；
3)将纤维网格图像进行骨架化，获取单像素宽度的纤维网格模型。
进一步地，所述建模方法中，步骤(2)按照以下步骤进行：
1)使用“morphology-branch”函数识别网格模型中的结点，并将坐标信息记录进梁单元节点库；
2)以一定像素间隔均匀地进行扫描，在纤维上获取均匀分布的节点，并将坐标信息记录进梁单元节点库；
进一步优选的，步骤(2)-2)所述间隔为6-10像素；
进一步地，所述建模方法中，步骤(3)按照以下步骤进行：
1)将所有点从模型图像上挖空，即将网格模式分割成一个个线段；
2)对每一个点进行判断，先选中目标点，进行填充；
3)判断目标点与附近领域内其他点间的连接性，如果两点存在连接性，即构成矢量节点对；
进一步地，所述建模方法中，步骤(4)按照以下步骤进行：
1)根据节点库中构成节点对的结点和节点的坐标信息进行有限元模型单元节点的编号及定义；
2)进行梁单元的定义，基于节点库中构成节点对的节点与结点信息，制定构成梁单元的节点对的编号即可。
进一步地，所述建模方法中，步骤(5)按照以下步骤进行：
1)在构建的有限元模型中，在结点处进行弹簧单元的生成；
2)以30～40％的概率，生成弹簧单元代替结点与附近节点对应的梁单元。
进一步地，所述建模方法中，步骤(6)按照以下步骤进行：
1)生成一个空的文档文件；
2)写入模型信息，包括单元节点、单元信息；
3)写入材料属性、边界条件、计算需求、输出结果等信息；
4)将文档转换成Input文件，可直接用于有限元模拟。
进一步地，所述模型结点与节点提取方法中，步骤(2)-2)的目的是调控纤维离散程度及有限元模型中梁单元的尺寸。
进一步地，所述判断节点对的方法中，步骤(3)-3)通过以下步骤实现节点连接性判断：
a.将目标点附近的某个待判断点进行填充；
b.给整个模型图像进行区域标记；
c.判断目标点与待判断点的域标记是否相同，即是否存在于同一个域，是则表明两点间连通，具有连接性。
进一步地，所述生成弹簧单元的方法中，步骤(5)的目的是使用弹簧单元连接属性替代结点处的刚性连接，使网格模型结点属性与实际力学更接近。
进一步地，所述生成、编辑Input文件的方法中，步骤(6)采用Inp文档可以实现建模与模拟的一步到位，且建模与模拟过程均无需人工手动操作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明提供了一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法；
2、本发明提供对纤维网格图像模型进行离散化及转换成梁单元模型的方法十分高效；
3、本发明提供的在纤维网格有限元模型中结点处引入弹簧单元的方法大大提高了模型的模拟精度；
4、本发明提供的材料属性、边界条件、施加载荷以及计算需求等内容的定义方法十分简便，直接定义在预定义的单元集与节点集；
5、本发明提供的方法基于编程实现了模型生成、图像处理、有限元模型构建与模拟计算的一步到位，生成的Inp文件应用于abaqus有限元软件驱动模拟，无需其余手动操作。
附图说明
图1是本发明方法的算法流程图；
图2是本发明的方法中识别结点与节点并判断单元节点对连接性的示意图；
图3是本发明的方法生成弹簧单元代替结点刚性连接的示意图；
图4是本发明的方法实施例中纤维网格模型及构建的有限元模型示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式和保护范围不限于此。
实施例
本实施例提供了一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法。
所述方法步骤如图1所示，包括以下步骤：
(1)基于Matlab平台通过编程生成随机纤维网格模型，计算孔隙率，具体实现方法如下：
1)根据纤维长度、宽度分布数据及数量调控，自编程生成随机网格；
2)计算网格模型孔隙率；
3)将纤维网格图像进行骨架化，获取单像素宽度的纤维网格模型。
(2)识别与提取网格模型中结点、节点信息，并构建节点库，结点与节点示意如图2所示，具体实现方法如下：
1)使用“morphology-branch”函数识别网格模型中的结点，并将坐标信息记录进梁单元节点库；
2)以一定像素间隔(本案例间隔为10个像素点)对整个网格骨架域均匀地进行扫描，在纤维上获取均匀分布的节点，并将坐标信息记录进梁单元节点库；另外，通过更改像素间隔可以调控纤维离散程度及有限元模型中梁单元的尺寸。
(3)判断哪些点(即节点和结点)构成矢量节点对，判断过程如图2所示，具体实现方法如下：
1)将所有点从模型图像上挖空，即将网格模式分割成一个个线段；
2)对每一个点进行判断，先选中目标点，进行填充；
3)判断目标点与附近领域内其他点间的连接性，如果两点存在连接性，即构成矢量节点对；点的连接性的判断包括：
a.将目标点附近的某个待判断点进行填充；
b.给整个模型图像进行区域标记；
c.判断目标点与待判断点的域标记是否相同，即是否存在于同一个域，是则表明两点间连通，具有连接性。
(4)构建有限元模型，根据节点对定义单元的节点信息及梁单元信息，具体实现方法如下：
1)根据节点库中构成节点对的结点和节点的坐标信息进行有限元模型单元节点的编号及定义；
2)进行梁单元的定义，基于节点库中构成节点对的节点与结点信息，制定构成梁单元的节点对的编号。
(5)在结点处以一定概率生成弹簧单元，如图3所示，具体实现方法如下：
1)在构建的有限元模型中，在结点处进行弹簧单元的生成；
2)以30～40％的概率，生成弹簧单元代替结点与附近节点的梁单元；使网格模型结点属性特征与实际弹性力学更为接近。
(6)定义有限元计算设置及模拟细节，完成计算文件Inp文档的自动生成，具体实现方法如下：
1)生成一个空的文档文件；
2)写入模型信息，包括单元节点、单元信息，模型显示如图4所示；
3)写入材料属性、边界条件、计算需求、输出结果等信息，边界条件如图4所示；
4)将文档转换成Input文件，可直接用于有限元模拟。
本实施例通过编程实现了图像处理、结构提取、构建有限元模型的一步到位，相比传统的借助不同软件平台实现的建模方法而言，十分高效。在纤维网格有限元模型中结点处引入弹簧单元，使用“柔性”连接代替了原始模型中结点处的“刚性”连接，更加贴近真实网格中纤维间的结合强度，大大提高了模型的模拟精度。本建模方法最终得到一份Inp文档，作为abaqus有限元软件的脚本文件，可以直接在abaqus平台中进行模拟计算，无需其余手动操作。相比现有建模方法，建模技术的自动化水平显著提升。
以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种面向随机纤维网格的有限元模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生成随机纤维网格模型，计算孔隙率；
(2)识别与提取网格模型中结点、节点坐标信息，并构建节点库；
(3)判断哪些点构成矢量节点对，所述点为结点和节点；
(4)构建有限元模型，根据节点对定义单元的节点信息及梁单元信息；
(5)在有限元模型结点处生成弹簧单元；
(6)定义有限元计算设置及模拟细节，完成计算文件Inp文档的自动生成。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述建模方法使用编程实现建模及模拟一体化；核心技术是将纤维模型中的纤维离散化后直接转换成梁单元有限元。
3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤(1)中包括以下步骤：
1)根据纤维长度、宽度分布数据及数量调控，自编程生成随机网格；
2)计算网格模型孔隙率；
3)将纤维网格图像进行骨架化，获取单像素宽度的纤维网格模型。
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤(2)按照以下步骤进行：
1)使用“morphology-branch”函数识别网格模型中的结点，并将坐标信息记录进梁单元节点库；
2)以一定像素间隔均匀地进行扫描，在纤维上获取均匀分布的节点，并将坐标信息记录进梁单元节点库。
5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤(3)按照以下步骤进行：
1)将所有点从模型图像上挖空，即将网格模式分割成一个个线段；
2)对每一个点进行判断，先选中目标点，进行填充；
3)判断目标点与附近领域内其他点间的连接性，如果两点存在连接性，即构成矢量节点对。
6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤(4)按照以下步骤进行：
1)根据节点库中构成节点对的结点和节点的坐标信息进行有限元模型单元节点的编号及定义；
2)进行梁单元的定义，基于节点库中构成节点对的节点与结点信息，制定构成梁单元的节点对的编号。
7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤(5)按照以下步骤进行：
1)在构建的有限元模型中，在结点处进行弹簧单元的生成；
2)以30～40％的概率，生成弹簧单元代替结点与附近节点对应的梁单元。
8.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤(6)按照以下步骤进行：
1)生成一个空的文档文件；
2)写入模型信息，包括单元节点、单元信息；
3)写入材料属性、边界条件、计算需求、输出结果等信息；
4)将文档转换成Input文件，可直接用于有限元模拟。
9.根据权利要求6所述的建模方法，其特征在于，步骤(3)-3)通过以下步骤实现点的连接性判断：
a.将目标点附近的某个待判断点进行填充；
b.给整个模型图像进行区域标记；
c.判断目标点与待判断点的域标记是否相同，即是否存在于同一个域，是则表明两点间连通，具有连接性。
10.根据权利要求1-9任一项所述的建模方法，其特征在于，步骤(6)采用Inp文档可以实现建模与模拟的一步到位，且建模与模拟过程均无需人工手动操作。
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