CN114400057A - 对材料微结构进行建模和仿真 - Google Patents
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Abstract
实施例生成材料的基于计算机的模型(例如，计算机辅助设计(CAD)模型)。一种这样的实施例选择表示材料的单元的模型的至少一个部分。进而，基于对模型的选定的至少一个部分提出的修改和对表示材料的单元的模型的其余部分提出的修改来估计模型的至少一个物理或化学属性。迭代该选择和估计，直到估计出的至少一个物理或化学属性符合该至少一个物理或化学属性的用户规范为止。以这种方式，这样的实施例创建符合用户指定的物理和化学属性的主题材料的模型。
Description
相关申请
本申请要求享有于2020年10月8日提交的美国临时申请第63/089,087号的权益。上述申请的全部教导通过引用并入本文。
背景技术
用于生成材料微结构的模型并且对其进行仿真的现有方法具有两种通常的变型：宏观尺度(macroscale)建模和中尺度(mesoscale)建模。对于宏观尺度建模，元素在离散的仿真框中被定义为“材料”或者非“材料”。这种宏观尺度建模提供了一种说明宏观尺度模型中的微结构的方式。中尺度建模利用不同大小的球形颗粒填充仿真单元(simulationcell)并且提供中型结构化的近似。然而，利用中尺度建模，该模型最终仅具有球形颗粒。这是一种重要的近似。宏观尺度和中尺度方法两者产生了理想化的结构，而这些结构通常不能表示真实世界的材料和这些材料的衍生属性。存在用于生成多微孔(microporous)结构模型的原子方法，但在原子级别，可处理的系统大小和时间尺度是有限的。
发明内容
因此，需要用于对材料的微结构进行准确的建模和仿真的功能。实施例提供了这样的功能。本发明的实施例提供了用于生成针对材料的多孔微结构(porousmicrostructure)的在化学和物理上现实的计算机模型的高效方法。这对于改进以纳米尺度及更大尺度对材料性能的仿真是有用的。可以实现实施例以对电池电极进行建模和仿真，以及其他示例。此外，实施例可以被部署用于对在纳米尺度上多孔的任何材料(例如，涂层、复合材料、配方产品、增强的油回收和催化，以及其他示例)进行建模和仿真。在实施例中，在生成模型之后，可以部署生成的模型以对该模型表示的材料的真实世界使用进行仿真。在示例实施例中，构建的模型根据本领域技术人员已知的原理用于仿真。
实施例也可以用于对由多于一种材料组成的真实世界材料结构(例如，具有表面涂层或异质结构的材料，以及其他示例)进行更好的建模和仿真。
示例实施例提供了一种计算方法，该计算方法执行迭代和随机过程以获得材料的微结构的现实的计算机模型。这样的实施例开始于表示要被建模材料的三维(3D)重复单元的空框，并且随机选择该框的一个或多个小部分(步骤1)。接下来，利用表示具有预定密度的材料的珠子(bead)来填充该框的随机选定的部分(步骤2)。然后，计算所得到的模型的物理特性，例如，孔隙率(porosity，固体百分比和流体百分比)和曲率(tortuosity)(步骤3)。取决于计算出的物理特性，使用步骤1的结果，并且随机选择框的一个或多个新的部分以表示材料并且利用珠子来填充这些部分(重复步骤1和步骤2)。重复该过程，直到实现期望的物理特性为止。可以通过重复上面的过程来生成不同的模型，以便得到具有期望的物理特性的多孔材料的最终统计平均模型(即，对于非限制性示例，该模型与真实世界已知的材料特性相一致)。
在标识出合适的设计之后，替代实施例迭代步骤1和步骤3，并且执行步骤2，从而创建实际模型。在这样的实施例中，随机选择框的一个或多个小部分(步骤1)。进而，估计模型的物理属性，在该模型中，选定的部分被假设填充有固体并且未被选定的区域被假设填充有流体(例如，气体和/或液体)。如果估计出的物理属性符合期望的物理属性(感兴趣的物理属性)，则该方法继续(将选定的部分与珠子进行关联或以其他方式利用珠子来填充选定的部分)并且创建模型。如果期望的物理属性不满足期望的标准，则重复该过程。
又一实施例针对用于生成材料的模型的计算机实现的方法。这样的实施例开始于选择表示材料的单元的模型的至少一个部分。接下来，基于以下各项来估计模型的至少一个物理属性：(i)对模型的选定的至少一个部分提出的修改；以及(ii)对表示材料的单元的模型的其余部分提出的修改。如果估计出的至少一个物理属性满足要求(例如，针对该至少一个属性的用户指定的值或系统指定的值)，则方法结束(如果模型被创建用于估计该至少一个物理属性)，或者方法继续根据提出的修改来创建模型。如果估计出的属性不满足要求，则迭代选择和估计步骤，直到估计出的至少一个物理属性符合该至少一个物理属性的用户规范为止。实施例可以估计模型的任何期望的物理属性(感兴趣的物理属性)。例如，实施例可以考虑孔隙率和/或曲率。
根据实施例，估计模型的至少一个物理属性包括：根据对选定的至少一个部分提出的修改并且根据对模型的其余部分提出的修改来更新模型。在这样的实施例中，通过以下操作来更新模型：利用表示模型的选定的至少一个部分的材料的珠子来填充该至少一个部分；以及利用表示材料的单元的其余部分的材料的珠子来填充表示材料的单元的模型的其余部分。此外，在这样的实施例中，通过使用更新后的模型计算至少一个物理属性来估计该至少一个物理属性。
根据实施例，填充选定的至少一个部分的珠子表示固体。在另一实施例中，填充其余部分的珠子表示流体，例如，液体或气体。在又一实施例中，该至少一个部分由第一闭合体积和第二闭合体积构成，该第二闭合体积包围第一闭合体积。在这样的示例实施例中，利用表示模型的选定的至少一个部分的材料的珠子来填充该至少一个部分包括：利用表示第一闭合体积的材料的珠子来填充第一闭合体积；以及利用表示第二闭合体积的材料的珠子来填充第二闭合体积。在实施例中，填充第二闭合体积的珠子表示包围第一闭合体积的涂层。
在方法的替代实施例中，模型的至少一个物理属性是使用模板来估计的。在这样的实施例中，如果估计出的物理属性满足要求，则方法根据对选定的至少一个部分提出的修改并且根据对模型的其余部分提出的修改来更新模型。然而，如果(使用模板估计出的)估计出的物理属性不满足要求(即，用户规范)，则这样的实施例继续迭代选择和估计的步骤，直到估计出的至少一个物理属性符合该至少一个物理属性的用户规范为止。一旦迭代确定估计出的物理属性满足要求，则根据对选定的至少一个部分提出的修改以及对模型的其余部分提出的修改来更新或创建模型。在这样的实施例中，通过以下操作来更新模型：利用表示模型的选定的至少一个部分(其可以包括在整个迭代期间选定的所有部分)的材料的珠子来填充该至少一个部分；以及利用表示材料的单元的其余部分的材料的珠子来填充表示该材料的单元的模型的其余部分(模型的不包括选定的部分的体积)。
在实施例中，单元可以是三维(3D)重复单元。在另一示例实施例中，3D重复单元是立方形或矩形的(例如，长方体或矩形棱柱)。根据实施例，选定的至少一个部分是闭合体积。可以在实施例中利用的示例闭合体积包括球体、圆柱体和/或椭圆体。
又一实施例针对一种系统，其包括处理器和具有存储在其上的计算机代码指令的存储器。在这样的实施例中，处理器和存储器利用计算机代码指令被配置为使得系统实现本文描述的任何实施例或实施例的组合。
本发明的另一实施例针对一种云计算实现方式，其用于生成材料的模型。这样的实施例针对由跨网络与一个或多个客户端进行通信的服务器执行的计算机程序产品，其中，该计算机程序产品包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器实现本文描述的任何实施例。
附图说明
本专利或者申请文件包含以彩色呈现的至少一个附图。具有(多个)彩色附图的该专利或者专利申请出版物的副本将在提出请求并且支付必要的费用后由专利局提供。
根据下面在附图中示出的对示例实施例的更具体的描述，前述内容将变得显而易见，在附图中，相同的附图标记在不同视图中指代相同的部件。附图不一定是按比例绘制的，而是强调对实施例的说明。
图1是根据实施例的用于生成材料的模型的方法的流程图。
图2示出了用于构建材料的模型的实施例的步骤。
图3示出了在一个实施例中用于构建具有涂层的材料的微结构模型的过程的步骤。
图4是根据实施例的用于生成材料的模型的计算机系统的简化框图。
图5是其中可以实现本发明实施例的计算机网络环境的简化框图。
具体实施方式
以下是对示例实施例的描述。
本文引述的所有专利、公开申请和参考的教导通过引用以其整体并入。
实施例可以用于任何建模和仿真，其中微结构细节有助于理解产品性能和行为(例如，老化、产品生命周期、其他物理或化学属性等等)。对于非限制性示例，实施例对涂层、复合材料、配方产品、增强的油回收和催化以及其他示例进行建模并且实现对其的仿真。可以基于针对前述应用的感兴趣的材料来开发具体参数。可以在本文描述的实施例中利用这些参数以提供针对这些应用(例如，涂层、复合材料、配方产品、增强的油回收和催化)的建模和仿真。根据实施例，应用特定的参数是描述珠子之间的交互的参数，其中每个珠子表示材料的不同部分。在示例实施例中，交互参数构成用于中尺度动力学仿真的力场，可以根据该力场测量诸如平均孔隙率和曲率之类的属性，如下文所描述的。可以根据每珠子类型来定义交互参数，其中每个珠子类型表示材料(例如，固体、液体或气体)内的一组良好定义的原子(或颗粒)。这种所谓的原子到珠子的“粗粒化”允许以比在全原子仿真中典型可能的长度和时间尺度更大的长度和时间尺度进行仿真。例如，可以部署实施例以在中尺度级别而不是原子级别仿真电池材料。这样的实施例提供对于在电池的充电和放电期间的电极孔隙率的关键见解。
实施例提供的对先前可用方法的一种改进是构建材料模型(材料的模型)，该材料模型不会导致球体的叠置——这是迄今为止计算机模型的工作方式。相反，实施例生成详细的微结构的计算模型，该模型可以被专门定制以准确地表示在试验中观察到的结构和属性(例如，SEM数据、BET数据、合成物)。具体地，从球形颗粒近似(即，仅使用球体对材料进行建模的现有方法)到由实施例提供的现实颗粒结构的进展允许表示物理测量属性的更准确的模型。可以利用最小的用户输入来自动使用本发明的实施例，这允许快速探索设计参数空间和改进用户体验。本发明的实施例可以在其他工作流(例如，仿真工作流)中作为通用工具使用以及在现有的建模和仿真平台上使用。可以在现有的软件套件和软件包中实现实施例。在这样的实现方式中，修改现有的软件以便执行本文描述的功能，例如，方法100。
实施例提供了用于对材料(例如，电池电极材料)进行3D纳米尺度建模和仿真的功能。图1是用于生成感兴趣的材料的模型的一种这样的计算机实现的方法100的流程图。方法100开始于步骤101，选择表示主题材料的单元的模型的至少一个部分。在方法100中，材料的单元可以是3D重复单元。在方法100的实施例中，3D重复单元可以是立方形或矩形的。在方法100的示例实施例中，至少一个选定的部分是闭合体积。可以在方法100中利用的示例闭合体积包括球体、圆柱体和/或椭圆体。
接下来，在步骤102处，基于对(1)在步骤101处选定的模型的至少一个部分提出的修改以及(2)对表示材料的单元的模型的其余部分提出的修改来估计模型的至少一个物理属性。实施例可以在步骤102处估计模型的任何期望的物理属性。例如，实施例可以估计孔隙率和/或曲率。
在方法100的实施例中，在步骤102处估计模型的至少一个物理属性包括根据提出的修改(对在101处选定的至少一个部分的修改以及对模型的其余部分提出的修改)来更新模型。在这样的实施例中，在步骤102处通过以下操作来更新模型：利用表示选定的至少一个部分的材料的珠子来填充模型的选定的至少一个部分，以及利用表示材料的单元的其余部分的材料的珠子来填充表示材料的单元的模型的其余部分。根据实施例，珠子是中尺度模型，其中每个珠子表示一组原子。在实施例中，使用材料建模领域的技术人员已知的标准技术(即，软件编程和支持数据结构)来实现珠子表示本身。此外，在这样的实施例中，在步骤102处，通过使用更新后的模型计算至少一个物理属性来估计该至少一个物理属性。在这样的实施例中，在步骤102的每次迭代处生成新模型。根据实施例，填充至少一个部分的珠子表示固体。在另一实施例中，填充其余部分的珠子表示流体。
如本文所描述的，在步骤102处计算物理属性。可以在步骤102处计算出的示例物理属性包括孔隙率(由ε表示)和曲率(由τ表示)。在实施例中，可以通过计算“体积表面”来估计孔隙率，该“体积表面”将材料的一个部分与另一部分分割开(在电池仿真中是将电极与电解质分割开)。可以使用标准计算技术来获得这样的表面。在实施例中，该表面将仿真单元分为由每种材料占用的体积。由材料(表面)占用的体积可以与仿真单元的总体积相关地设置以获得孔隙率。可以通过计算珠子在体相流体(bulk fluid)中的扩散系数(D0)和在具有孔隙率∈的实际结构中的扩散系数(De)来获得曲率τ。然后，
可以根据针对给定力场的中尺度动力学仿真中测量出的珠子的均方位移来计算扩散系数。在实施例中，可以如Jinliang Yuan、Bengt Sundén的Onmechanisms and models of multi-component gas diffusion in porous structuresof fuel cell electrodes(International Journal of Heat and Mass Transfer，Volume 69，2014年，第358-374页)中所描述地计算扩散系数，该文献的内容通过引用并入本文。
在方法100的又一实施例中，在步骤101处选定的至少一个部分由第一闭合体积和第二闭合体积构成，该第二闭合体积包围第一闭合体积。在这样的示例实施例中，在步骤102处，利用表示模型的选定的至少一个部分的材料的珠子来填充该至少一个部分包括：利用表示第一闭合体积的材料的珠子来填充第一闭合体积，以及利用表示第二闭合体积的材料的珠子来填充第二闭合体积。在这样的实施例中，填充第二闭合体积的珠子表示包围第一闭合体积的涂层。
返回到图1，如果在步骤102处估计出的至少一个物理属性满足要求(例如，用户指定的值或系统指定的值)，则该方法结束(如果更新后的模型在步骤102处被创建并保存在计算机存储器中以估计至少一个物理属性)，否则该方法继续根据提出的修改来创建模型。然而，如果估计出的属性不满足要求，则该方法移动到步骤103，在步骤103中，迭代(即，重复)选择(步骤101)和估计(步骤102)，直到在给定迭代中，在步骤102处估计出的至少一个物理属性符合该至少一个物理属性的用户规范为止。在每个迭代期间，在步骤101处选择表示材料的单元的模型的新部分，并且在步骤102处基于对已经在整个迭代中选定的所有部分提出的修改来估计属性。
在方法100的替代实施例中，在步骤102处使用模板(例如，下文关于图2和图3描述的模板222和模板332)来估计模型的至少一个物理属性。因此，在实施例中，属性计算可以基于模板或基于根据模板推导出的模型。根据实施例，如上文所描述的通过计算将材料的一个部分与另一部分分割开的“体积表面”来计算孔隙率，并且可以通过计算珠子在体相流体中的扩散系数(D0)和在具有孔隙率∈的实际结构中的扩散系数(De)来获得曲率τ。在这样的实施例中，模板提供表面。根据实施例，一旦估计出的物理属性满足要求，方法就根据对选定的至少一个部分提出的修改并且根据对模型的其余部分提出的修改来更新/创建模型。然而，如果在步骤102处，使用模板估计出的物理属性不满足要求(即，用户规范)，则方法移动到步骤103，在步骤103中，迭代选择(步骤102)和估计(步骤103)，直到估计出的至少一个物理属性符合该至少一个物理属性的用户规范为止。一旦估计出的物理属性满足要求，就根据对选定的至少一个部分提出的修改并且根据对模型的其余部分提出的修改来更新模型。在这样的实施例中，通过以下操作更新模型：利用表示模型的选定的至少一个部分的材料的珠子来填充该至少一个部分，以及利用表示材料的单元的其余部分的材料的珠子来填充表示材料的单元的模型的其余部分。在该实施例中，在标识出满足要求的设计(对选定的至少一个部分提出的修改以及对模型的其余部分提出的修改，这些修改反映在模板中)之后，生成单个模型。
图2示出了用于构建多孔微结构材料(例如，电池电极或隔膜(separator)中的活性材料)的模型的方法220的步骤。过程220使用珠子类型的仿真(中尺度模型或者子模型)，其中每个珠子表示一组原子。根据实施例，使用材料建模领域的技术人员已知的标准编程技术来实现珠子表示本身。在由过程220构建的整体模型中，可以连接珠子以仿真材料的固体部分。迭代地执行方法220，直到生成了符合用户要求(例如，材料的用户期望的物理属性)的整体模型为止。
方法220利用模型模板222a、222b、222c和222n(通常被称为222)。在方法220的实施例中，在开始方法220的迭代过程之前选择模型模板222的大小。在另一实施例中，模板222具有默认大小。根据实施例，模板222是表示材料的三维(3D)重复单元框。应注意的是，模板可以是立方形或矩形的(例如，长方体或矩形棱柱)。另一实施例在开始迭代过程之前还通过选择新区域223的数量来选择每次迭代221a-221n的步骤大小以选择每次迭代221a-221n。
第一迭代221a的步骤1开始于选择模型模板222a中的要利用特定材料来填充的新区域223a-223c。在图2中，在第一迭代221a期间选择区域223a-223c。应注意的是，在图2中，区域223a-223c被描绘为球形，但是本发明的实施例不限于此。选定的区域223a-223c可以是任何闭合体积，例如，圆柱体、椭圆体或立方体。还应注意的是，在步骤1处选定的区域223a-223c的大小和位置可以被随机选择或者可以基于用户选定的设置或默认设置。
如果选定的区域(例如，区域223b)穿过模板框222a的边界，则假设该选定的区域从另一侧反射。换言之，方法220应用周期性的边界条件规则。因此，如果选定的区域穿过模板边界，则进行所要求的数量的复制以确保周期性的连续性。为了说明，考虑部分位于模板框222a外部的区域223b。在操作中，模板框222是重复单元，并且因此任何数量的框被组合(即，彼此连接)，以表示被仿真的整个材料和对象。为了确保周期性的连续性，更新每个模板框以反映穿过边界的选定的区域。因此，在该示例说明中，选定的区域223b的位于模板框222a的边界外部的部分被放置在与球体(选定的区域223b)重叠的每一个相邻框的内部。以这种方式，当连接模板框以制作被仿真的整个对象(例如，具有由实施例创建的模型表示的材料的电池端子)的模型时，区域223b的位于模板框222a外部的部分位于与框222a相邻(连接)的模板框的内部。
接下来，迭代221a的步骤2通过利用固体珠子(例如，图2中的黄色区域225)填充固体材料区域(其与选定的模板区域223a-223c相对应)来创建模型224a。应注意的是，图2中的珠子被描绘为球形，但是实施例不限于此，并且珠子可以具有不同形状。例如，在实施例中，珠子是椭圆的。另外地，在迭代221a期间，利用溶剂珠子(例如，图2中示出的紫色区域226)来填充模型224a的其余部分(其与单元222a的不包括选定的区域223a-223c的体积相对应)。在这一点(迭代221a的步骤2)处，模型224a现在是被建模的材料的完整表示。
过程220可以可选地包括步骤(步骤2a)，该步骤2a根据距离准则来交叉链接珠子。这样的交叉链接创建了表示固体活性材料的连续固体颗粒。
接下来(迭代221a的步骤3)，计算模型224a的物理属性(例如，孔隙率)并且将其与要求进行比较。如果物理属性满足要求，则过程220结束，否则迭代过程220，直到生成满足要求的模型为止。存储满足要求的模型，并且该模型进而可以在仿真中被使用以对模型所表示的材料的真实世界使用进行仿真。存储模型可以包括将以下各项存储在计算机存储器中的数据结构中：(a)每个选定的区域223的坐标，(b)用于填充模型的珠子的类型的指示(例如，粘合剂、固体、流体)，(c)珠子之间的链接信息，(d)表示物理或化学属性的值的指示，例如，模型的孔隙率，以及(e)模板(框)大小，以及其他示例。
如图2中所描绘的，在迭代221a之后，过程220包括迭代221b-221n。在每次迭代221b-221n中，选择模板222的新区域，例如，区域223d-223f(以及其他区域)。在每次迭代221b-221n的步骤2处，通过利用固体珠子(在图2中以黄色示出)填充模型224b-224n的固体材料区域(其与选定的模板区域相对应)来创建模型224b-224n，并且利用溶剂珠子(图2中示出的紫色)填充模型224b-224n的其余部分。在迭代221b-221n的这一点(步骤2)处，模型224a-224n现在是被建模的材料(主题材料)的完整表示。在每次迭代221b-221n的步骤3处，计算模型224b-224n的物理属性，并且将其与要求进行比较。在迭代221b和221c中，相应的模型224b和224c不满足要求，并且过程220移动到下一次迭代。然而，在迭代221n中，之后计算出的模型224n的物理属性和化学属性满足要求，并且过程220结束。
应注意的是，过程220在本文被描述为迭代三个步骤：(步骤1)选择模型模板222的区域223；(步骤2)通过利用表示固体材料的珠子填充与选定的模板区域相对应的模型区域以及利用表示流体的珠子填充其余部分来根据模板创建或生成模型；以及(步骤3)计算创建的模型的物理和化学属性，并且确定创建的模型(以及当前的模型行为)是否满足要求。然而，可以修改过程220，使得不在每次迭代时创建模型(例如，模型224a-224n)，而是仅创建最终模型224n并且将其保存到计算机存储器。在这样的替代实现方式中，每次迭代的步骤1选择模型模板的区域。然而，在该替代实现方式的步骤2处，基于模板(例如，单元222a)和选定的模板区域(例如，区域223a-223c)来估计提出的模型(即，尚未创建的模型)的物理属性。如果估计出的物理属性满足要求，则迭代结束，并且通过利用固体珠子填充固体材料区域(其与选定的模板区域相对应)并且利用表示流体的珠子填充模型的其余部分(模型的不包括对应的选定的模板区域的体积)来创建或生成模型。
为了说明，在方法220中，模板(例如，具有其选定的区域(通常被称为223)的单元222a-222n)全部被创建，并且确定这些模板的属性。迭代221a-221c中的模板的属性不满足要求，并且因此不构建模型224a-224c。然而，迭代221n中的模板满足要求，并且创建模型224n，如本文所描述的。
图3示出了用于构建具有涂层的多孔微结构材料的模型的迭代方法330的步骤。方法330可以用于仿真具有涂层的材料，该涂层机械地粘合颗粒、提供导电性和/或提供固体电间相(electric interphase)(即，材料的整个相)。过程330使用珠子类型的仿真(中尺度模型或者子模型)，其中每个珠子表示一组原子。在由过程330构建的模型(例如，334a-334n)中，可以连接珠子以仿真材料的固体部分。迭代地执行方法330，直到生成了符合用户要求(例如，模型所表示的材料的用户期望的物理属性)的模型为止。
方法330利用模型模板332a、332b、332c和332n(通常被称为332)。在方法330的实施例中，在开始方法330的迭代过程之前选择模型模板332的大小。在另一实施例中，模板332具有默认大小。在实施例中，针对迭代331a-331n维持模板大小。然而，方法330可以使用不同大小的模板来重复。根据实施例，模板332是表示材料的三维(3D)重复单元框。
第一迭代331a的步骤1开始于选择模型模板332a中的要利用固体材料来填充的一个或多个新区域333a-333c。在图3中，在第一迭代331a期间选择区域333a-333c。除了选择区域333a-333c之外，在迭代331a的步骤1处，创建围绕或者包裹初始选定的区域333a-333c的附加区域336a-336c(以绿色示出)。附加区域336a-336c将包含“涂层”或第二材料类型。应注意的是，在图3中，区域333a-333c被描绘为球形，但是本发明的实施例不限于此。选定的区域333a-333c可以是任何闭合体积，例如，圆柱体、椭圆体或立方体。还应注意的是，在迭代的步骤1处选定的区域333a-333c的大小和位置可以被随机选择或者可以基于用户选定的设置或默认设置。
如果选定的区域(例如，区域333b)穿过框332a的边界，则假设该选定的区域从另一侧反射。换言之，方法330应用周期性的边界条件规则。因此，如果选定的区域穿过模板边界，则进行所要求的数量的复制以确保周期性的连续性。为了说明，考虑延伸到模板框332a外部的区域333b。在操作中，模板框332是重复单元，并且因此任何数量的框被组合(即，彼此连接)，以表示被仿真的整个材料和对象。为了确保周期性的连续性，更新每个模板框以反映穿过边界的选定的区域。因此，在该示例中，选定的区域333b的位于模板框332a的边界外部的部分被放置在每一个其他模板框的内部。以这种方式，当连接模板框以制作被仿真的整个对象的模型时，区域333b的位于框332a外部的部分位于与框332a相邻(连接)的模板框的内部。
接下来，(过程330的迭代331a的步骤2)通过首先利用固体珠子(例如，图3中的黄色区域335)填充固体材料区域(其与选定的区域333a-333c相对应)来创建模型334a。接下来，利用表示涂层的珠子填充与围绕区域333a-333c的区域336a-336c相对应的模型区域。这些涂层珠子被描绘为粉色，例如，图3中的区域337。以这种方式，在方法330中，内球体333a首先被填充，并且然后利用表示涂层的珠子填充内球体333a-333c与外球体336a-336c之间的区域。另外地，在迭代331a的步骤2处，利用溶剂珠子(例如，图3中示出的紫色区域338)来填充模型334a的其余部分(其与模板单元332a的不包括选定的区域333a-333c和创建的涂层区域336a-336c的体积相对应)。在这一点(步骤2)处，模型334a现在是被建模的主题材料的完整表示。
过程330可以可选地包括步骤(步骤2a)，该步骤2a根据距离准则来交叉链接珠子。这样的交叉链接创建了表示固体活性材料的连续固体颗粒。
接下来(迭代331a的步骤3)，计算模型334a的属性(例如，物理和/或化学属性)并且将其与要求进行比较。如果物理属性满足要求，则过程330结束，否则迭代过程330，直到生成满足要求的模型为止。将满足要求的模型存储在计算机存储器中，并且该模型进而可以在仿真中使用以对模型所表示的材料的真实世界使用进行仿真。存储模型可以包括将以下各项存储在计算机存储器中的数据结构中：(a)每个选定的区域333的坐标，(b)用于填充模型的珠子的类型的标记(例如，粘合剂、固体、流体)，(c)珠子之间的链接信息，(d)物理或化学属性的标记和/或测量值，例如，模型的孔隙率，以及(e)模板(框)大小，以及其他示例。
如图3中所描绘的，在迭代331a之后，过程330执行迭代331b-331n。在每次迭代331b-331n中，选择模板332的新区域(例如，区域333d-333f(以及其他区域))，并且创建围绕选定的区域的区域(例如，区域336d-336f(以及其他区域))。在每次迭代331b-331n的步骤2处，通过利用固体珠子(在图3中以黄色示出)填充固体材料区域(其与选定的模板区域相对应)来创建模型334b-334n，并且利用表示涂层的珠子填充围绕选定的区域的模型区域(例如，其对应于区域336d-336f)。此外，利用溶剂珠子(图3中示出的紫色)填充模型334的其余部分。在迭代331b-331n的这一点(步骤2)处，模型334a-334n现在是被建模的材料的完整表示。在每次迭代331b-331n的步骤3处，计算模型334b-334n的物理属性，并且将其与要求进行比较。在迭代331b和331c中，模型334b和334c不满足要求，并且过程330移动到下一次迭代。然而，在迭代331n中，模型334n的物理属性和化学属性满足要求，并且过程330结束。
应注意的是，过程330在本文被描述为迭代三个步骤：(步骤1)选择模型模板332的区域333，并且创建围绕选定的区域的区域336；(步骤2)通过利用表示固体材料的珠子填充与选定的模板区域相对应的模型区域、利用表示涂层的珠子填充围绕选定的区域的创建的涂层区域、以及利用表示流体的珠子填充其余部分来创建或生成模型；以及(步骤3)计算创建的模型的物理属性和化学属性，并且确定创建的模型是否满足要求。然而，可以修改过程330，使得不在每次迭代时创建模型(例如，模型334a-334n)，而是仅创建最终模型334n并且将其保存到计算机存储器。在这样的替代实现方式中，每次迭代的步骤1选择模型模板的区域并且创建围绕选定的区域的区域。然而，在该替代实现方式的步骤2处，基于模板(例如，单元332a)、选定的模板区域(例如，区域333a-333c)和围绕区域336a-336c来估计提出的模型(即，尚未创建的模型)的物理属性。在实施例中，如上文所描述地执行基于模板的估计。例如，通过计算将材料的一个部分与另一部分分割开的“体积表面”来计算孔隙率，并且通过计算珠子在体相流体中的扩散系数(D0)和在具有孔隙率∈的实际结构中的扩散系数(De)来获得曲率τ。在实施例中，模板定义了一定量的固体体积，例如，固体体积是由选定的区域定义的，孔隙率和曲率是通过比较定义的量的固体体积与模板的总体积来计算的。如果估计出的属性(使用模板估计出的物理和/或化学属性)满足要求，则迭代结束，并且通过首先利用固体珠子(例如，图3中的黄色区域)填充固体材料区域(其与选定的模板区域相对应)、第二填充与围绕选定的模板区域的创建的涂层区域相对应的区域(例如，图3中的粉色区域)、并且第三利用溶剂珠子填充模型334的其余部分(模型的不包括对应的选定的区域和创建的区域的体积)来创建模型。
为了说明该替代实现方式，在方法330中，模板(例如，具有其选定的区域(例如，通常为333)和围绕选定的区域的创建的区域(例如，通常为336)的单元332a-332n)全部被生成，并且确定这些模板的属性。在迭代331a-331c中，模板332的属性不满足要求，并且因此不构建模型334a-334c。然而，在迭代331n中，具有选定的区域和创建的区域(例如，333f和336f)的模板332n满足要求，并且创建模型334n，如本文所描述的。
本发明的另一实施例针对用于创建多孔微结构的CAD模型的计算机实现的过程。这样的实施例首先标识目标多孔微结构材料的期望孔隙率。接下来，在CAD程序内创建要被建模的材料的空3D重复单元，并且选择空重复单元的小部分。进而，利用固体珠子的模型来填充空重复单元的选定的小部分，并且利用溶剂珠子的模型来填充重复单元的其余部分。计算填充的重复单元的孔隙率，并且将填充的重复单元的计算出的孔隙率与目标多孔微结构材料的要求的孔隙率进行比较。重复该过程，直到达到针对该重复单元的期望的孔隙率为止。
图4是根据本文描述的本发明的任何各种实施例的可以用于构建主题材料(或感兴趣的材料)的模型的基于计算机的系统440的简化框图。系统440包括总线443。总线443用作系统440的各种组件之间的互连。输入/输出设备接口446连接到总线443，该输入/输出设备接口446用于将诸如键盘、鼠标、触摸屏、显示器、扬声器等之类的各种输入和输出设备连接到系统440。中央处理单元(CPU)442连接到总线443，并且提供对计算机指令的执行。存储器445提供对用于执行计算机指令的数据的易失性存储。存储装置444提供对诸如操作系统(未示出)之类的软件指令的非易失性存储。系统440还包括用于连接到本领域已知的任何各种网络(包括广域网(WAN)和局域网(LAN))的网络接口441。
应该理解，本文描述的示例实施例可以以许多不同的方式实现。在一些实例中，本文描述的各种方法和机器可以各自由物理、虚拟或混合通用计算机(例如，计算机系统440)或者计算机网络环境(例如，下文结合图5描述的计算机环境550)来实现。例如，通过将实现方法100的软件指令加载到存储器445或非易失性存储装置444中以供CPU 442执行，计算机系统440可以被转换为执行本文描述的方法的机器。本领域普通技术人员应该进一步理解，系统440及其各种组件可以被配置为执行本文描述的本发明的任何实施例或实施例的组合。此外，系统440可以利用可操作地内部或者外部耦合到系统440的硬件、软件和固件模块的任何组合来实现本文描述的各种实施例。
图5示出了其中可以实现本发明的实施例的计算机网络环境550。在计算机网络环境550中，服务器551通过通信网络552链接到客户端553a-553n。环境550可以用于允许客户端553a-553n单独地或与服务器551组合地执行本文描述的实施例中的任一个。对于非限制性示例，计算机网络环境550提供云计算环境、软件即服务(SAAS)实施例等等。
实施例或其方面可以以硬件、固件或者软件的形式实现。如果以软件实现，则该软件可以存储在被配置为使得处理器能够加载软件或者其指令子集的任何非暂时性计算机可读介质。然后，处理器执行指令并且被配置为操作装置或者使得装置以本文所描述的方式操作。
此外，固件、软件、例程或指令可以在本文被描述为执行数据处理器的某些动作和/或功能。然而，应该认识到的是，包含在本文中的这种描述仅仅是为了方便，并且这样的动作实际上是由计算设备、处理器、控制器或者执行固件、软件、例程、指令等的其他设备产生的。
应该理解，流程图、框图和网络图可以包括更多或者更少的元素、被不同地布置、或者被不同地表示。但是还应该理解，某些实现方式可以规定说明实施例的执行的框图和网络图以及框图和网络图的数量以特定方式实现。
因此，进一步的实施例也可以在各种计算机架构、物理、虚拟、云计算和/或其一些组合中实现，并且因此，本文描述的数据处理器旨在仅用于说明的目的，而不是对实施例的限制。
尽管已经特别示出和描述了示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离由所附权利要求书涵盖的实施例的范围的情况下，对其中的形式和细节进行各种改变。
Claims (20)
1.一种生成材料的模型的计算机实现的方法，所述方法包括：
选择表示材料的单元的模型的至少一个部分；
基于对所述模型的选定的至少一个部分提出的修改和对表示所述材料的单元的所述模型的其余部分提出的修改，来估计所述模型的至少一个物理属性；以及
迭代选择和估计，直到估计出的至少一个物理属性符合所述至少一个物理属性的用户规范为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，估计所述模型的所述至少一个物理属性包括：
通过以下操作，根据对所述选定的至少一个部分提出的所述修改和对所述模型的其余部分提出的所述修改来更新所述模型：
利用表示所述至少一个部分的材料的珠子，来填充所述模型的选定的至少一个部分；以及
利用表示所述材料的单元的其余部分的材料的珠子，来填充表示所述材料的单元的所述模型的其余部分；以及
通过使用更新后的模型计算所述至少一个物理属性，来估计所述至少一个物理属性。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，填充所述至少一个部分的所述珠子表示固体。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，填充所述其余部分的所述珠子表示流体。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个部分由第一闭合体积和第二闭合体积构成，所述第二闭合体积包围所述第一闭合体积，并且其中，利用表示所述至少一个部分的材料的珠子来填充所述模型的选定的至少一个部分包括：
利用表示所述第一闭合体积的材料的珠子，来填充所述第一闭合体积；以及
利用表示所述第二闭合体积的材料的珠子，来填充所述第二闭合体积。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，填充所述第二闭合体积的所述珠子表示包围所述第一闭合体积的涂层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模型的所述至少一个物理属性是使用模板来估计的；以及
所述方法进一步包括：在迭代选择和估计直到估计出的至少一个物理属性符合所述至少一个物理属性的用户规范为止之后，通过以下操作，根据对所述选定的至少一个部分提出的所述修改和对所述模型的其余部分提出的所述修改来更新所述模型：
利用表示所述至少一个部分的材料的珠子，来填充所述模型的选定的至少一个部分；以及
利用表示所述材料的单元的其余部分的材料的珠子，来填充表示所述材料的单元的所述模型的其余部分。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述单元是三维(3D)重复单元。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述3D重复单元是立方形或矩形的。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个部分是闭合体积。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述闭合体积是球体、圆柱体或者椭圆体。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个物理属性是以下各项中的至少一个：孔隙率和曲率。
13.一种用于生成材料的模型的系统，所述系统包括：
处理器；以及
存储器，所述存储器具有存储在其上的计算机代码指令，所述处理器和所述存储器利用所述计算机代码指令被配置为使得所述系统进行以下操作：
选择表示材料的单元的模型的至少一个部分；
基于对所述模型的选定的至少一个部分提出的修改和对表示所述材料的单元的所述模型的其余部分提出的修改，来估计所述模型的至少一个物理属性；以及
迭代选择和估计，直到估计出的至少一个物理属性符合所述至少一个物理属性的用户规范为止。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，为了估计所述模型的所述至少一个物理属性，所述处理器和所述存储器利用所述计算机代码指令被进一步配置为使得所述系统进行以下操作：
通过以下操作，根据对所述选定的至少一个部分提出的所述修改和对所述模型的其余部分提出的所述修改来更新所述模型：
利用表示所述至少一个部分的材料的珠子，来填充所述模型的选定的至少一个部分；以及
利用表示所述材料的单元的其余部分的材料的珠子，来填充表示所述材料的单元的所述模型的其余部分；以及
通过使用更新后的模型计算所述至少一个物理属性，来估计所述至少一个物理属性。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，填充所述至少一个部分的所述珠子表示固体，并且填充所述其余部分的所述珠子表示液体或气体。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述至少一个部分由第一闭合体积和第二闭合体积构成，所述第二闭合体积包围所述第一闭合体积，并且其中，为了利用表示所述至少一个部分的材料的珠子来填充所述模型的选定的至少一个部分，所述处理器和所述存储器利用所述计算机代码指令被进一步配置为使得所述系统进行以下操作：
利用表示所述第一闭合体积的材料的珠子，来填充所述第一闭合体积；以及
利用表示所述第二闭合体积的材料的珠子，来填充所述第二闭合体积。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，填充所述第二闭合体积的所述珠子表示包围所述第一闭合体积的涂层。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述处理器和所述存储器利用所述计算机代码指令被配置为使得所述系统使用模板来估计所述模型的所述至少一个物理属性；以及
所述处理器和所述存储器利用所述计算机代码指令被进一步配置为使得所述系统进行以下操作：在迭代选择和估计直到估计出的至少一个物理属性符合所述至少一个物理属性的用户规范为止之后，通过以下操作，根据对所述选定的至少一个部分提出的所述修改和对所述模型的其余部分提出的所述修改来更新所述模型：
利用表示所述至少一个部分的材料的珠子，来填充所述模型的选定的至少一个部分；以及
利用表示所述材料的单元的其余部分的材料的珠子，来填充表示所述材料的单元的所述模型的其余部分。
19.根据权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个物理属性是以下各项中的至少一个：孔隙率和曲率。
20.一种用于生成材料的模型的非暂时性计算机程序产品，所述计算机程序产品由跨网络与一个或多个客户端进行通信的服务器执行，并且所述计算机程序产品包括：
计算机可读介质，所述计算机可读介质包括程序指令，所述程序指令在由处理器执行时使得所述处理器进行以下操作：
选择表示材料的单元的模型的至少一个部分；
基于对所述模型的选定的至少一个部分提出的修改和对表示所述材料的单元的所述模型的其余部分提出的修改，来估计所述模型的至少一个物理属性；以及
迭代选择和估计，直到估计出的至少一个物理属性符合所述至少一个物理属性的用户规范为止。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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