CN115438389A - 三维机织复合材料的微结构设计方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三维机织复合材料设计技术领域，具体涉及三维机织复合材料的微结构设计方法、装置及电子设备，该方法包括获取三维机织复合材料的初始基因，初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，材料基因包括形成微结构的原材料属性，几何基因包括形成微结构的几何属性，结构基因包括微结构的结构属性；对初始基因进行优化处理得到优化基因；基于优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能；当三维机织复合材料性能满足设计需求时，将优化基因确定为三维机织复合材料的目标基因，以确定所述三维机织复合材料的目标微结构。通过对三维机织复合材料基因进行优化操作，实现三维机织复合材料微结构的优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及三维机织复合材料设计技术领域，具体涉及三维机织复合材料的微结构设计方法、装置及电子设备。
背景技术
三维机织复合材料作为一种先进的结构材料，具有轻质高强、抗冲击、耐疲劳等优点，具有复杂的微结构构型，可设计性强。目前，三维机织复合材料已广泛应用于航空航天等高端工程领域。
三维机织复合材料微结构是决定其宏观材料性能的关键，三维机织复合材料微结构的影响因素主要包括：纤维和基体的材料性能、纱线之间的交织方式、机织结构参数等。三维机织复合材料微结构多尺度明显，分析难度大。对于三维机织复合材料微结构的设计，目前缺少科学系统的数字化方法。在传统的设计中，考虑的三维机织复合材料可变参数少，一般不考虑微结构中交织方式的变化，只考虑纱线的规格、密度等机织结构参数的变化，导致所得到的三维机织复合材料性能具有一定的局限性。因此，为了更加系统的对三维机织复合材料微结构进行设计，必须全面的考虑各种因素的影响，并采用数字化的方式进行设计优化。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种三维机织复合材料的微结构设计方法、装置及电子设备，以解决三维机织复合材料的微结构设计问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种三维机织复合材料的微结构设计方法，包括：
获取三维机织复合材料的初始基因，所述初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，所述几何基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的几何属性，所述结构基因包括所述三维机织复合材料微结构的结构属性；
对所述初始基因进行优化处理得到优化基因；
基于所述优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能；
当所述三维机织复合材料性能满足设计需求时，将所述优化基因确定为所述三维机织复合材料的目标基因，以确定所述三维机织复合材料的目标微结构。
本发明实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，采用三维机织复合材料基因来表达三维机织复合材料，将三维机织复合材料的材料基因、几何基因以及结构基因作为设计变量，以三维机织复合材料的材料性能为目标函数，通过对三维机织复合材料基因进行优化操作，改变三维机织复合材料的性能，实现三维机织复合材料微结构的优化设计。该方法能够适用于新的三维机织复合材料微结构的开发，为大型构件的多尺度计算提供材料性能数据，可应用于三维机织复合材料的设计。
在一些实施方式中，所述对所述初始基因进行优化处理得到优化基因，包括：
获取所述材料基因、几何基因以及结构基因中各参数的参数范围；
基于所述参数范围对相应的所述初始基因进行变异和/或交叉处理，以得到所述优化基因。
本发明实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，基于材料基因、几何基因以及结构基因中各参数的参数范围进行变异和/或交叉处理，能够保证变异和/或交叉处理后得到的优化基因的合理性。
在一些实施方式中，所述结构基因包括经纱层数向量、纬纱层数向量以及结构编码矩阵，基于所述参数范围对相应的所述初始基因进行变异处理，以得到所述优化基因，包括：
基于所述材料基因的参数范围对所述初始基因中的材料基因进行变异，以得到优化材料基因；
基于所述几何基因的参数范围对所述初始基因中的几何基因进行变异，以得到优化几何基因；
固定所述初始基因中结构基因的经纱层数向量与所述纬纱层数向量，并基于所述结构编码矩阵的参数范围，对所述结构基因的结构编码矩阵进行变异，以得到优化结构基因。
本发明实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，由于经纱层数向量和纬纱层数向量的改变会影响结构编码矩阵，最终改变的都是结构编码矩阵，而结构编码矩阵影响的是后续建立的几何模型，因此，通过仅对结构基因中的结构编码矩阵进行编译处理，能够减少数据处理量，提高微结构的设计效率。
在一些实施方式中，基于所述参数范围对所述初始基因进行交叉处理，以得到所述优化基因，包括：
基于所述初始基因中任意两个几何基因进行交叉，以得到优化几何基因；
获取所述初始基因中结构基因的任意两个结构编码矩阵以及所述结构编码矩阵中经纬纱的交织点；
在所述交织点处对所述任意两个结构编码矩阵进行交叉，以得到优化结构基因。
本发明实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，由于交织点为任意两个结构编码矩阵的经纬纱结构的变化点，因此在结构编码矩阵中经纬纱的交织点处对任意两个结构编码矩阵进行交叉，能够减少交织变化的数据量，提高微结构设计的效率。
在一些实施方式中，所述基于所述优化基因建立几何模型，以获得优化后的材料性能，包括：
基于优化结构基因中的结构编码矩阵建立所述微结构的几何草图；
获取优化几何基因中的经纱密度以及纬纱密度；
基于所述几何草图、所述经纱密度以及所述纬纱密度，确定所述几何草图对应的几何模型；
基于所述几何模型以及所述优化材料基因建立细观力学模型，以进行细观力学分析确定所述优化后的三维机织复合材料性能。
本发明实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，通过几何模型以及优化材料基因进行细观力学模型的建立，能够保证所建立的细观力学模型的准确性，从而得到较可靠的材料性能。
在一些实施方式中，所述基于所述几何草图、所述经纱密度以及所述纬纱密度，确定所述几何草图对应的几何模型，包括：
基于所述几何草图、所述经纱密度以及所述纬纱密度，计算所述纱线每一个点的第一方向坐标与第二方向坐标；
基于所述几何草图中经纬纱的排列方式以及所述纱线的截面尺寸，确定所述纱线每一个点的第三方向坐标，以确定所述几何模型。
在一些实施方式中，所述材料基因包括纤维和基体的材料性能，所述几何基因包括经纱密度、纬纱密度、经纱规格、纬纱规格以及纤维体积含量，所述经纱规格包括所述三维机织复合材料微结构中每一根经纱的规格，所述纬纱规格包括所述三维机织复合材料微结构中每一根纬纱的规格。
本发明实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，在材料基因中包括纤维和基体的材料性能，几何基因中包括经纬纱的几何属性，从多参数角度对微结构进行综合设计考量，通过更加系统的对三维机织复合材料进行设计，为大型构件的多尺度计算提供材料性能数据。该方法建立在材料性能的基础之上，也就意味着微结构与材料性能是关联的，改变微结构的同时也会改变材料性能，因此可以建立大量的微结构与材料性能的数据库，可以为大型构件的多尺度计算提供材料性能数据。
根据第二方面，本发明实施例还提供一种三维机织复合材料的微结构设计装置，包括：
获取模块，用于获取三维机织复合材料的初始基因，所述初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，所述几何基因包括形成所述微结构的几何属性，所述结构基因包括所述微结构的结构属性；
优化模块，用于对所述初始基因进行优化处理得到优化基因；
建模模块，用于基于所述优化基因建立细观力学模型，以获得优化后的材料性能；
确定模块，用于当所述材料性能满足设计需求时，将所述优化基因确定为所述三维机织复合材料的目标基因，以确定所述三维机织复合材料的目标微结构。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面或者第一方面的任意一种实施方式中所述的三维机织复合材料的微结构设计方法。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第一方面或者第一方面的任意一种实施方式中所述的三维机织复合材料的微结构设计方法。
需要说明的是，本发明实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计装置、电子设备及计算机可读存储介质的相应有益效果，请参见上文三维机织复合材料的微结构设计方法的对应有益效果的描述，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a以及图1b分别示出了第1列以及第2列经纱截面；
图2是根据本发明实施例的三维机织复合材料的微结构示意图；
图3是根据本发明实施例的三维机织复合材料的微结构设计方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的三维机织复合材料的微结构设计方法的流程图；
图5是根据本发明实施例的两个结构编码矩阵的交叉结果示意图；
图6是根据本发明实施例的微结构优化设计的流程图；
图7是根据本发明实施例的三维机织复合材料的微结构设计方法的流程图；
图8是根据本发明实施例的三维机织复合材料的材料性能分析示意图；
图9是根据本发明实施例的三维机织复合材料的微结构设计装置的结构框图；
图10是本发明实施例提供的电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，微结构即表示三维机织结构构型、纤维及基体材料信息以及三维机织结构参数信息。本发明实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，提出了三维机织复合材料基因的概念，定义了三维机织复合材料基因表达式，将该表达式作为三维机织复合材料微结构的设计变量，以三维机织复合材料的性能为目标函数，通过对三维机织复合材料基因进行优化操作，寻找新的三维机织复合材料的微结构，实现三维机织复合材料微结构的优化设计。该方法适用于新的三维机织复合材料的微结构开发，为大型构件的多尺度计算提供材料性能数据，可应用于三维机织复合材料设计。
具体地，复合材料的性能取决于其微结构的形状、纱线材料的性能等因素。纱线材料的性能由纤维和基体的性能确定，当纱线材料确定之后，微结构形状是改变复合材料性能的关键因素。当然，本发明实施例中的微结构既包含微结构的形状，也包括纱线材料的性能。由三维机织复合材料制备而成的大型结构即大型构件，一般情况下构件的不同部位微结构可以不相同。在计算大型构件时，不可能把构件的模型建立在细观尺度上，因此需要多尺度计算，即在细观尺度上计算材料性能，把材料性能赋值给宏观构件，然后在宏观尺度上计算构件性能。
本发明实施例给出了三维机织复合材料微结构的设计方法，该方法建立在三维机织复合材料性能的基础之上，也就意味着三维机织复合材料微结构与其材料性能是关联的，改变三维机织复合材料微结构的同时也会改变三维机织复合材料性能，因此可以建立大量的三维机织复合材料微结构与三维机织复合材料性能的数据库，可以为大型构件的多尺度计算提供材料性能数据。
为下文描述方便，对三维机织的结构数字化表达方式描述如下：
采用经纱层数向量J、纬纱层数向量W、结构编码矩阵P表示一个三维机织组织结构。
1)J为一维向量，表示每列经纱的层数排列。
2)W为一纬向量，表示每列纬纱的层数排列。
3)P为二维矩阵，由每一列经纱的结构编码Pj自上而下排列组成。
第j列经纱的结构编码Pj表示为：1)第一行元素为第1层经纱上方的纬纱根数排列；2)从第二行开始，第k行的元素为第k层经纱与第k-1层经纱之间的纬纱根数。
将所有列的经纱结构编码Pj排列在一起即为整体的结构编码矩阵P。
以一种常见的三维机织结构为例，其组织结构如图1a以及图1b所示，实线代表经纱，圆圈代表纬纱，该基元组织包含2列经纱、2列纬纱，经纱每列3层，纬纱每列4层。该三维机织结构数字化表达方式为：
1)将经纱层数排列表示为：J＝[3,3]；
2)将纬纱层数排列表示为：W＝[4,4]；
3)将结构进行编码，表示为：
进一步地，图2示出了三维机织复合材料的微结构示意图。图2中的x方向为经纱方向，y方向为纬纱方向，z方向为厚度方向，对应于图1a以及图1b，分别表示出第1列经纱截面以及第2列经纱截面，圆圈表示纬纱，实线表示经纱。
根据本发明实施例，提供了一种三维机织复合材料的微结构设计方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中提供了一种三维机织复合材料的微结构设计方法，可用于上述的电子设备，如电脑、平板电脑或其他终端等，图3是根据本发明实施例的三维机织复合材料的微结构设计方法的流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：
S11，获取三维机织复合材料的初始基因。
其中，所述初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，所述材料基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的原材料属性，所述几何基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的几何属性，所述结构基因包括所述三维机织复合材料微结构的结构属性。
初始基因用于表示微结构在初始优化时的各个参数，为了区分各种类型的参数，将其区分为材料基因、几何基因以及结构基因。材料基因主要由基本的材料性能组成，包括纤维和基体的材料性能；几何基因的参数主要决定了微结构单胞的尺寸大小。
在一些实施方式中，所述几何基因包括经纱密度、纬纱密度、经纱规格、纬纱规格以及纤维体积含量，所述经纱规格包括所述微结构中每一根经纱的规格，所述纬纱规格包括所述微结构中每一根纬纱的规格。具体地，三维机织复合材料的基因表示为：G＝[GM，GS，GG]，其中，GM是材料基因，GS是几何基因，GG是结构基因。
GM＝[E11,f，E22,f，E33,f，G12,f，G13,f，G23,f，v12,f，v13,f，v23,f，Em，Gm，vm]
GG＝[DJ，DW，KJ，KW，Vf]
GS＝[J，W，P]
其中，材料基因GM包含纤维1方向的弹性模量E11,f，纤维2方向的弹性模量E22,f，纤维3方向的弹性模量E33,f，纤维12方向的剪切模量G12,f，纤维13方向的剪切模量G13,f，纤维23方向的剪切模量G23,f，纤维的泊松比v12,f、v13,f、v23,f，基体的弹性模量Em，基体的剪切模量Gm，基体的泊松比vm。
几何基因GG包含：经纱密度DJ、纬纱密度DW、经纱规格KJ、纬纱规格KW、纤维体积含量Vf。经纱规格KJ包含每一根经纱的规格，纬纱规格KW包含每一根纬纱的规格。
结构基因GS包含：经纱层数向量J、纬纱层数向量W、结构编码矩阵P。
在材料基因中包括纤维和基体的材料性能，几何基因中包括经纬纱的几何属性，从多参数角度对微结构进行综合设计考量，通过更加系统的对三维机织复合材料进行设计，为大型构件的多尺度计算提供三维机织复合材料性能数据。该方法建立在三维机织复合材料性能的基础之上，也就意味着三维机织复合材料微结构与三维机织复合材料性能是关联的，改变微结构的同时也会改变材料性能，因此可以建立大量的微结构与三维机织复合材料性能的数据库，可以为大型构件的多尺度计算提供三维机织复合材料性能数据。
S12，对初始基因进行优化处理得到优化基因。
对于初始基因的优化，是针对初始基因中的材料基因、几何基因以及结构基因而言的。具体在优化时，可以设置材料基因、几何基因以及结构基因的变化方向以及每次变化的步长，利用变化方向以及步长对其进行优化。或者，在优化时固定某个基因不变，优化其他基因的参数值，等等。经过优化处理后，得到优化基因，此处的优化基因包括优化材料基因、优化几何基因以及优化结构基因。
S13，基于优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能。
电子设备每次对得到优化基因之后，均利用优化基因中的结构基因GM和几何基因GG的表达式建立三维机织复合材料的微结构的几何模型；再对几何模型以及材料基因GM中的材料参数，建立三维机织复合材料的细观力学模型，从而对细观力学模型进行分析，获得优化后的三维机织复合材料性能。
对于优化基因建立几何模型的具体处理过程，可以是利用结构基因GM和几何基因GG确定出各个纱线点的坐标，进而得到几何模型；也可以是通过对结构基因以及几何基因进行建模，得到几何模型，等等。在此对利用结构基因以及几何基因建立几何模型的具体方式并不做任何限定，具体根据实际需求进行设置。
在得到几何模型之后，电子设备可以再结合材料基因中的材料参数建立三维机织复合材料的细观力学模型。细观力学模型是在几何模型的基础之上建立的，复合材料包含纱线和基体，纱线几何模型由上述步骤建模得到，基体即填充复合材料孔隙的部分。在细观力学模型中，纱线的材料属性由纤维和纱线内部填充的基体确定，通常采用理论等效的方式进行计算。电子设备在用有限元方法计算复合材料的材料性能时，需要建立复合材料细观力学模型，包含了几何模型、纱线材料性能、计算的边界条件、加载方式等等。
其中，三维机织复合材料的性能包括刚度、强度等。刚度是根据细观力学等效原理，采用有限元方法计算三维机织复合材料的等效刚度矩阵；强度也是可以通过有限元方法计算得到的。具体选用哪个或哪些材料性能是根据实际需求设置的，例如，将材料等效刚度矩阵中某些分量的大小最高或者最低作为目标，根据需求，材料性能某些方向上强一些，某些方向上弱一些等等。
此处需要说明的是，初始基因进行优化后得到优化基因，进而得到优化基因对应的材料性能；若此材料性能不满足设计需求时，再次对优化基因进行优化，得到优化后的优化基因，进而得到有优化后的优化基因对应的材料性能；依次类推，直至最终得到的材料性能满足设计需求为止。即，每优化一次基因，均得到对应的材料性能。通过将材料性能作为优化目标，基因作为优化变量，最终确定出满足设计需求的三维机织复合材料的基因，相应地，得到满足设计需求的三维机织复合材料的基因之后即可确定出微结构。
S14，当三维机织复合材料性能满足设计需求时，将优化基因确定为三维机织复合材料的目标基因，以确定三维机织复合材料的目标微结构。
如上文所述，在每次进行基因优化之后，均能够获得优化后的材料性能。电子设备通过将材料性能与设计需求进行对比，确定材料性能是否能够满足设计需求。当材料性能满足设计需求时，将优化基因确定为三维机织复合材料的目标基因，以确定三维机织复合材料的目标微结构。
本实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，采用三维机织复合材料基因来表达三维机织复合材料，将三维机织复合材料的材料基因、几何基因以及结构基因作为设计变量，以三维机织复合材料的性能为目标函数，通过对三维机织复合材料的基因进行优化操作，改变三维机织复合材料的性能，实现微结构的优化设计。该方法能够适用于新的三维机织复合材料微结构的开发，为大型构件的多尺度计算提供材料性能数据，可应用于三维机织复合材料的设计。
在本实施例中提供了一种三维机织复合材料的微结构设计方法，可用于上述的电子设备，如电脑、平板电脑或其他终端等，图4是根据本发明实施例的三维机织复合材料的微结构设计方法的流程图，如图4所示，该流程包括如下步骤：
S21，获取三维机织复合材料的初始基因。
其中，所述初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，所述材料基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的原材料属性，所述几何基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的几何属性，所述结构基因包括所述三维机织复合材料微结构的结构属性，结构基因包括经纱层数向量、纬纱层数向量以及结构编码矩阵。
详细请参见图3所示实施例的S11，在此不再赘述。
S22，对初始基因进行优化处理得到优化基因。
具体地，上述S22包括：
S221，获取材料基因、几何基因以及结构基因中各参数的参数范围。
关于材料基因、几何基因以及结构基因中具体参数请参见上述S11所示，对于对微结构进行设计之前，设置基因中各个参数的参数范围。例如，设置各参数的上下限[Xa，Xb]，在进行优化时，各参数的需要满足：Xa≤X≤Xb。
此外，对于结构编码矩阵需要满足下列条件：
将第j列的经纱结构编码Pj转换为Sj矩阵，Sj中的第k行、第i列的元素表示为：在第i列纬纱处，第j列、第k层经纱上方的纬纱层数
mi为第i列纬纱的总层数。
S222，基于参数范围对相应的初始基因进行变异和/或交叉处理，以得到优化基因。
电子设备得到参数范围之后，基于该参数范围对初始基因进行变异和/或交叉处理，得到优化基因。具体地，电子设备可以对各初始基因进行变异处理，或进行交叉处理，或者同时进行变异以及交叉处理。
在一些实施方式中，上述S222中基于参数范围对相应的所述初始基因进行变异处理，以得到优化基因，包括：
(1)基于材料基因的参数范围对初始基因中的材料基因进行变异，以得到优化材料基因。
(2)基于几何基因的参数范围对初始基因中的几何基因进行变异，以得到优化几何基因。
(3)固定初始基因中结构基因的经纱层数向量与纬纱层数向量，并基于结构编码矩阵的参数范围，对结构基因的结构编码矩阵进行变异，以得到优化结构基因。
三维机织复合材料基因的变异主要体现在基因的若干个参数的改变，具体地：
1)材料基因GM的变异
对于材料基因GM而言，其参数主要由基本的材料性能组成，包括纤维和基体的材料性能，这些参数通常情况下不发生变化，但是在研究不同纤维和基体对材料性能的影响时，可以通过改变材料基因的参数来改变材料性能。
2)几何基因GG的变异
对于几何基因GG而言，其参数主要决定了微结构单胞的大小，可以根据需要给定一个参数范围，在该参数范围内可以任意调整。
3)结构基因GS的变异
对于结构基因GS的变异，经纱层数向量J和纬纱层数向量W的改变都会影响P矩阵，通常情况下不考虑J、W的改变。
对于结构编码矩阵P的改变需要满足下列条件：
0≤Sj(k,i)≤mi
其中，矩阵Sj中的第k行、第i列的元素表示为，在第i列纬纱处，第j列的第k层经纱上方的纬纱层数，
mi为第i列纬纱的总层数。
由于经纱层数向量和纬纱层数向量的改变会影响结构编码矩阵，最终改变的都是结构编码矩阵，而结构编码矩阵影响的是后续建立的几何模型，因此，通过仅对结构基因中的结构编码矩阵进行编译处理，能够减少数据处理量，提高微结构的设计效率。
在一些实施方式中，上述S222的基于参数范围对初始基因进行交叉处理，以得到优化基因，包括：
(1)基于初始基因中任意两个几何基因进行交叉，以得到优化几何基因。
(2)获取初始基因中结构基因的任意两个结构编码矩阵以及结构编码矩阵中经纬纱的交织点。
(3)在交织点处对任意两个结构编码矩阵进行交叉，以得到优化结构基因。
三维机织复合材料基因的交叉主要体现在不同材料的同类基因之间的信息交换。具体地，
1)材料基因GM的交叉
由于基本材料性能数据来源于真实情况，因此不考虑材料基因的交叉，子代的材料性能延续父代的材料性能。
2)几何基因GG的交叉
几何基因GG的信息可以考虑交叉，对于两个父代几何基因GG,I＝[DJ1，DW1，KJ1，KW1，Vf1]和GG,II＝[DJ2，DW2，KJ2，KW2，Vf2]，交叉点可以任意选择，比如选择从第2个位置进行交叉，得到的子代分别为：GG,1＝[DJ1，DW1，KJ2，KW2，Vf2]和GG,2＝[DJ2，DW2，KJ1，KW1，Vf1]。
对于KJ和Kw矩阵，该矩阵内部也可以发生交叉，因此可以产生大量的子代进行分析。
3)结构基因GS的交叉
对于结构基因GS的交叉，通常情况下不考虑J、W的交叉，只考虑结构编码矩阵P之间的交叉，该矩阵的交叉发生在经纬纱的交织点处，交叉之后差生的子代如图5所示。
由于交织点为任意两个结构编码矩阵的经纬纱结构的变化点，因此在结构编码矩阵中经纬纱的交织点处对任意两个结构编码矩阵进行交叉，能够减少交织变化的数据量，提高微结构设计的效率。
S23，基于优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能。
详细请参见图3所示实施例的S13，在此不再赘述。
S24，当三维机织复合材料性能满足设计需求时，将优化基因确定为三维机织复合材料的目标基因，以确定三维机织复合材料的目标微结构。
详细请参见图3所示实施例的S14，在此不再赘述。
本实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，基于材料基因、几何基因以及结构基因中各参数的参数范围进行变异和/或交叉处理，能够保证变异和/或交叉处理后得到的优化基因的可靠性。
作为本实施例的一种可选实施方式，采用遗传算法进行三维机织复合材料微结构的优化设计。优化设计流程如图6所示，假设优化迭代次数为n次。计算步骤如下：
1)初始化种群生成p个设计变量，每个设计变量包括材料基因、几何基因以及结构基因；
2)计算种群中每个个体对应的材料性能和目标函数；
3)根据目标函数确定适应度，适应度越高，说明该个体越优；
4)选择不同个体进行三维机织复合材料基因交叉或者变异操作；
5)产生下一代种群；
6)迭代次数i增加，如果迭代次数i大于n，则结束迭代；如果迭代次数i小于n，则返回第(2)步；
在本实施例中提供了一种三维机织复合材料的微结构设计方法，可用于上述的电子设备，如电脑、平板电脑或其他终端等，图7是根据本发明实施例的三维机织复合材料的微结构设计方法的流程图，如图7所示，该流程包括如下步骤：
S31，获取三维机织复合材料的初始基因。
其中，所述初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，所述材料基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的原材料属性，所述几何基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的几何属性，所述结构基因包括所述三维机织复合材料微结构的结构属性。
详细请参见3所示实施例的S11，在此不再赘述。
S32，对初始基因进行优化处理得到优化基因。
详细请参见图3所示实施例的S12，在此不再赘述。
S33，基于优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能。
具体地，上述S33包括：
S331，基于优化结构基因中的结构编码矩阵建立微结构的几何草图。
结构编码矩阵决定了每个交织点处的纱线位置关系，根据该关系得到每根纱线的位置，如图2所示，每根纱线厚度方向的排列方式是确定的，精准的坐标还需要知道纱线的厚度。但是在生成草图的时候，可以不考虑纱线的厚度，只需要给个大概的比例关系来计算坐标。即，根据结构编码矩阵P建立初始的几何草图，在第i列纬纱与第j列经纱的交织点(i,j)处，根据经纬纱的排列方式确定第k根纱线的厚度方向的坐标如下：
zk＝α(nj+mi-k)
其中，nj为第j列经纱的总层数，mi为第i列纬纱的总层数，α为厚度方向尺寸的缩放系数，该系数根据情况适当选择。
需要说明的是，上述关于厚度方向的坐标的公式仅仅是用于表征经纬纱的排列方式。
S332，获取优化几何基因中的经纱密度以及纬纱密度。
如上文所述，在几何基因中包括有经纱密度DJ以及纬纱密度DW，电子设备在建立几何模型时，直接从几何基因中提取相应的经纱密度以及纬纱密度即可。
S333，基于几何草图、经纱密度以及纬纱密度，确定几何草图对应的几何模型。
电子设备利用经纱密度计算经纱间距，经纱间距用于确定y坐标；利用纬纱密度计算纬纱间距，纬纱间距用于确定x坐标。例如：
纬纱密度DW为10mm内的纬纱根数，纬纱间距：
经纱密度DJ为10mm内的经纱根数，经纱间距：
如图2所示，在确定出几何模型的原点之后，利用纬纱间距以及经纱间距，即可确定纱线各个点的x以及y坐标。
在一些实施方式中，上述S333包括：
(1)基于几何草图、经纱密度以及纬纱密度，计算纱线每一个点的第一方向坐标与第二方向坐标。
(2)基于几何草图中经纬纱的排列方式以及纱线的截面尺寸，确定纱线每一个点的第三方向坐标，以确定几何模型。
纱线每个点的坐标包含(x，y，z)，如图2所示，坐标x，y可以根据经、纬纱密度来确定，坐标z可以根据厚度方向的位置来确定。其中，x为第一方向坐标，y为第二方向坐标，z为第三方向坐标。
此时的x，y，z即为几何草图中的x，y，z。几何草图中的x、y是明确的，z是大概给定的。再结合纱线规格确定出纱线的截面尺寸，在纱线截面尺寸确定后，z才能最终确定。其中，该截面可以假设为椭圆、凸透镜、跑道等形状，也可以假设为不规则的封闭曲线。
S334，基于几何模型以及优化材料基因建立细观力学模型，以进行细观力学分析确定优化后的三维机织复合材料性能。
如图8所示，根据三维机织复合材料的微结构的几何模型以及材料基因GM中的材料参数，建立三维机织复合材料的细观力学模型。根据细观力学等效原理，采用有限元方法计算三维机织复合材料等效刚度矩阵C，并通过渐近损伤分析得到材料的强度，为评估三维机织复合材料的性能提供依据。
S34，当三维机织复合材料性能满足设计需求时，将优化基因确定为三维机织复合材料的目标基因，以确定三维机织复合材料的目标微结构。
详细请参见图3所示实施例的S14，在此不再赘述。
本实施例提供的三维机织复合材料的微结构设计方法，通过几何模型以及优化材料基因进行细观力学模型的建立，能够保证所建立的细观力学模型的准确性，从而得到较可靠的材料性能。
在本实施例中还提供了一种三维机织复合材料的微结构设计装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本实施例提供一种三维机织复合材料的微结构设计装置，如图9所示，包括：
获取模块41，用于获取三维机织复合材料的初始基因，所述初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，所述材料基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的原材料属性，所述几何基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的几何属性，所述结构基因包括所述三维机织复合材料微结构的结构属性；
优化模块42，用于对所述初始基因进行优化处理得到优化基因；
建模模块43，用于基于所述优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能；
确定模块44，用于当所述三维机织复合材料性能满足设计需求时，将所述优化基因确定为所述三维机织复合材料的目标基因，以确定所述三维机织复合材料的目标微结构。
在一些实施方式中，优化模块42包括：
第一获取单元，用于获取所述材料基因、几何基因以及结构基因中各参数的参数范围；
处理单元，用于基于所述参数范围对相应的所述初始基因进行变异和/或交叉处理，以得到所述优化基因。
在一些实施方式中，所述结构基因包括经纱层数向量、纬纱层数向量以及结构编码矩阵，处理单元包括：
第一变异子单元，用于基于所述材料基因的参数范围对所述初始基因中的材料基因进行变异，以得到优化材料基因；
第二变异子单元，用于基于所述几何基因的参数范围对所述初始基因中的几何基因进行变异，以得到优化几何基因；
第三变异子单元，用于固定所述初始基因中结构基因的经纱层数向量与所述纬纱层数向量，并基于所述结构编码矩阵的参数范围，对所述结构基因的结构编码矩阵进行变异，以得到优化结构基因。
在一些实施方式中，处理单元包括：
第一交叉子单元，用于基于所述初始基因中任意两个几何基因进行交叉，以得到优化几何基因；
获取子单元，用于获取所述初始基因中结构基因的任意两个结构编码矩阵以及所述结构编码矩阵中经纬纱的交织点；
第二交叉子单元，用于在所述交织点处对所述任意两个结构编码矩阵进行交叉，以得到优化结构基因。
在一些实施方式中，建模模块43包括：
第一建立单元，用于基于优化结构基因中的结构编码矩阵建立所述微结构的几何草图；
第二获取单元，用于获取优化几何基因中的经纱密度以及纬纱密度；
确定单元，用于基于所述几何草图、所述经纱密度以及所述纬纱密度，确定所述几何草图对应的几何模型；
第二建立单元，用于基于所述几何模型以及所述优化材料基因建立细观力学模型，以进行细观力学分析确定所述优化后的三维机织复合材料性能。
在一些实施方式中，确定单元包括：
计算子单元，用于基于所述几何草图、所述经纱密度以及所述纬纱密度，计算所述纱线每一个点的第一方向坐标与第二方向坐标；
确定子单元，用于基于所述几何草图中经纬纱的排列方式以及所述纱线的截面尺寸，确定所述纱线每一个点的第三方向坐标，以确定所述几何模型。
在一些实施方式中，所述材料基因包括纤维和基体的材料性能，所述几何基因包括经纱密度、纬纱密度、经纱规格、纬纱规格以及纤维体积含量，所述经纱规格包括所述三维机织复合材料微结构中每一根经纱的规格，所述纬纱规格包括所述三维机织复合材料微结构中每一根纬纱的规格。
本实施例中的三维机织复合材料的微结构设计装置是以功能单元的形式来呈现，这里的单元是指ASIC电路，执行一个或多个软件或固定程序的处理器和存储器，和/或其他可以提供上述功能的器件。
上述各个模块的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种电子设备，具有上述图9所示的三维机织复合材料的微结构设计装置。
请参阅图10，图10是本发明可选实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图10所示，该电子设备可以包括：至少一个处理器51，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口53，存储器54，至少一个通信总线52。其中，通信总线52用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口53可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口53还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器54可以是高速RAM存储器(Random Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器54可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器51的存储装置。其中处理器51可以结合图9所描述的装置，存储器54中存储应用程序，且处理器51调用存储器54中存储的程序代码，以用于执行上述任一方法步骤。
其中，通信总线52可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线52可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器54可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固态硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器54还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器51可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器51还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器54还用于存储程序指令。处理器51可以调用程序指令，实现如本申请任一实施例中所示的三维机织复合材料的微结构设计方法。
本发明实施例还提供了一种非暂态计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的三维机织复合材料的微结构设计方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(FlashMemory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种三维机织复合材料的微结构设计方法，其特征在于，包括：
获取三维机织复合材料的初始基因，所述初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，所述材料基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的原材料属性，所述几何基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的几何属性，所述结构基因包括所述三维机织复合材料微结构的结构属性；
对所述初始基因进行优化处理得到优化基因；
基于所述优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能；
当所述三维机织复合材料性能满足设计需求时，将所述优化基因确定为所述三维机织复合材料的目标基因，以确定所述三维机织复合材料的目标微结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述初始基因进行优化处理得到优化基因，包括：
获取所述材料基因、几何基因以及结构基因中各参数的参数范围；
基于所述参数范围对相应的所述初始基因进行变异和/或交叉处理，以得到所述优化基因。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结构基因包括经纱层数向量、纬纱层数向量以及结构编码矩阵，基于所述参数范围对相应的所述初始基因进行变异处理，以得到所述优化基因，包括：
基于所述材料基因的参数范围对所述初始基因中的材料基因进行变异，以得到优化材料基因；
基于所述几何基因的参数范围对所述初始基因中的几何基因进行变异，以得到优化几何基因；
固定所述初始基因中结构基因的经纱层数向量与所述纬纱层数向量，并基于所述结构编码矩阵的参数范围，对所述结构基因的结构编码矩阵进行变异，以得到优化结构基因。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，基于所述参数范围对所述初始基因进行交叉处理，以得到所述优化基因，包括：
基于所述初始基因中任意两个几何基因进行交叉，以得到优化几何基因；
获取所述初始基因中结构基因的任意两个结构编码矩阵以及所述结构编码矩阵中经纬纱的交织点；
在所述交织点处对所述任意两个结构编码矩阵进行交叉，以得到优化结构基因。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能，包括：
基于优化结构基因中的结构编码矩阵建立所述微结构的几何草图；
获取优化几何基因中的经纱密度以及纬纱密度；
基于所述几何草图、所述经纱密度以及所述纬纱密度，确定所述几何草图对应的几何模型；
基于所述几何模型以及所述优化材料基因建立细观力学模型，以进行细观力学分析确定所述优化后的三维机织复合材料性能。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述几何草图、所述经纱密度以及所述纬纱密度，确定所述几何草图对应的几何模型，包括：
基于所述几何草图、所述经纱密度以及所述纬纱密度，计算所述纱线每一个点的第一方向坐标与第二方向坐标；
基于所述几何草图中经纬纱的排列方式以及所述纱线的截面尺寸，确定所述纱线每一个点的第三方向坐标，以确定所述几何模型。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料基因包括纤维和基体的材料性能，所述几何基因包括经纱密度、纬纱密度、经纱规格、纬纱规格以及纤维体积含量，所述经纱规格包括所述三维机织复合材料微结构中每一根经纱的规格，所述纬纱规格包括所述三维机织复合材料微结构中每一根纬纱的规格。
8.一种三维机织复合材料的微结构设计装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取三维机织复合材料的初始基因，所述初始基因包括材料基因、几何基因以及结构基因，所述几何基因包括形成所述三维机织复合材料微结构的几何属性，所述结构基因包括所述三维机织复合材料微结构的结构属性；
优化模块，用于对所述初始基因进行优化处理得到优化基因；
建模模块，用于基于所述优化基因建立几何模型，以获得优化后的三维机织复合材料性能；
确定模块，用于当所述三维机织复合材料性能满足设计需求时，将所述优化基因确定为所述三维机织复合材料的目标基因，以确定所述三维机织复合材料的目标微结构。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1-7中任一项所述的三维机织复合材料的微结构设计方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1-7中任一项所述的三维机织复合材料的微结构设计方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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