RU2689803C1 - Способ автоматизированного построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами - Google Patents
Способ автоматизированного построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2689803C1 RU2689803C1 RU2018123154A RU2018123154A RU2689803C1 RU 2689803 C1 RU2689803 C1 RU 2689803C1 RU 2018123154 A RU2018123154 A RU 2018123154A RU 2018123154 A RU2018123154 A RU 2018123154A RU 2689803 C1 RU2689803 C1 RU 2689803C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- fibers
- model
- axis
- input data
- Prior art date
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 127
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims description 11
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 238000000205 computational method Methods 0.000 description 1
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в сокращении временных и вычислительных ресурсов на создание трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала. Способ содержит следующие этапы: задание входных данных модели КМ; разбиение модели КМ на элементарные ячейки; разбиение модели КМ на воксели; оценка величины объемной доли волокон в модели КМ; построение прообраза волокна, разбиение его на части и смещение частей волокна; определение вокселей, принадлежащих волокну; проведение проверки на предмет пересечения волокна с другими волокнами, при необходимости указанный цикл действий повторяют; проведение проверки на достижение заданной величины объемной доли волокон в трехмерной модели КМ и, в случае его достижения, завершение операции размещения волокон. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к области компьютерного проектирования и может быть, в частности, использовано при решении задач дизайна внутренней структуры композиционных материалов, армированных волокнами.
Известен способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования, RU 2308763, G06T 17/40, G06F 17/50, опубл. 20.10.2007 [1]. Техническим результатом известного способа [1] является сокращение временных и вычислительных ресурсов. 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 является отсутствие возможности дизайна внутренней структуры материала на масштабе отдельных фаз или армирующих элементов материала изделия и направлено оно на проектирование сложных технических изделий при помощи трехмерных геометрических моделей-примитивов.
Известен способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования, RU 2325691, G06F 17/50, G06T 17/40, опубл. 23.05.2008 [2]. Техническим результатом известного способа [2] является сокращение временных и вычислительных ресурсов, затрачиваемых на проектирование. Указанный результат достигается за счет того, что построение трехмерной геометрической модели изделия (ТГМ) осуществляют с использованием базовых моделей. Определяют данные геометрии изделия, осуществляют преобразование выбранных данных в значения геометрических параметров элементов ТГМ изделия, определяют одну или несколько базовых моделей, которые будут изменены в соответствии с данными геометрии изделия, задают последовательность операций автоматического построения ТГМ изделия на основе базовых моделей, после чего осуществляют извлечение базовых моделей из предварительно созданной базы данных, изменяют значения их параметров в соответствии с данными геометрии изделия или заранее определенным способом.
Недостатком известного изобретения также является отсутствие возможности дизайна внутренней структуры материала на масштабе отдельных фаз или армирующих элементов материала изделия и направлено оно на проектирование сложных технических изделий при помощи одной или нескольких базовых моделей.
Технологической проблемой предлагаемого изобретения является разработка способа автоматического построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала (КМ) с волокнами.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является
- сокращение временных и вычислительных ресурсов на создание трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала, одним из компонентов которого являются волокна,
- обеспечение достаточно высокой совместимости компьютерных моделей, созданных предлагаемым способом, с различными вычислительными методами и вычислительными программными комплексами.
Указанный технический результат достигается тем, что способ автоматического построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами включает задание входных данных КМ и выполнение последовательности операций автоматического построения (алгоритма) модели КМ, причем последовательность операций автоматического построения модели КМ включает:
- задание входных данных модели КМ, представленных в виде текстового файла;
- разбиение модели КМ на элементарные ячейки;
- разбиение модели КМ на воксели;
- оценивание величины объемной доли волокон в модели КМ, с последующим размещением волокон в объеме модели КМ, включает следующий цикл действий:
- определение свободной элементарной ячейки;
- определение координат двух крайних точек волокна, равноудаленных от центра ячейки;
- построение функции, описывающей изогнутый профиль волокна;
- построение прообраза волокна, разбиение его на части и смещение частей волокна;
- определение вокселей, принадлежащих волокну;
- проведение проверки на предмет пересечения волокна с другими волокнами и при необходимости вышеуказанный цикл действий повторяют;
- проведение проверки на достижение заданной величины объемной доли волокон в трехмерной модели КМ и в случае его достижения завершение операции размещения волокон.
Задание входных данных модели КМ можно осуществлять и через графический интерфейс, при этом используют входные данные, заданные произвольно или взятые с реального образца КМ.
Построение функции, описывающей изогнутый профиль волокна, осуществляют следующим образом:
- производят параллельный перенос двух крайних точек на некоторое расстояние, ограниченное габаритами волокна и минимальным допустимым расстоянием между волокнами;
- проверяют попадание двух крайних точек в сгенерированные волокна и выход за границы модели КМ, при необходимости процедуру повторяют, начиная с операции определения свободной элементарной ячейки;
- определяют количество экстремумов кубической параболы, описывающей центральную линию волокна (один или два);
- определяют положение экстремумов на оси волокна (в случае единственного экстремума – только одного);
- определяют коэффициенты кубической параболы, описывающей отклонение центральной линии волокна от его оси с учетом заданной величины поперечного отклонения волокна;
- определяют ориентацию плоскости, в которой лежит центральная линия и ось волокна, относительно системы координат образца.
Построение прообраза волокна, разбиение его на части и смещение частей волокна осуществляют следующим образом:
- строят прообраз волокна в системе координат XYZ в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью волокна, а крайние точки волокна являются геометрическими центрами оснований этого цилиндра;
- разбивают прообраз волокна поперек оси волокна на равные части (их количество определяет гладкость волокна и задается во входных данных);
- сдвигают каждую часть прообраза волокна в пространстве перпендикулярно оси волокна таким образом, чтобы геометрический центр этой части лежал на центральной линии волокна.
В качестве прообраза волокна вместо цилиндра используют обобщенный цилиндр (цилиндр с основанием произвольной формы) или призму с произвольным количеством боковых граней.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в автоматизированном выполнении последовательности операций, направленных на построение компьютерной трехмерной модели композиционного материала с гетерогенной волокнистой структурой, параметры которой максимально соответствуют входным данным, которые заданы произвольно или соответствуют параметрам реального образца КМ.
В рамках предлагаемого изобретения под геометрическими характеристиками образца КМ понимают его форму и размеры.
Под геометрическими характеристиками волокон КМ понимают: форму его поперечного сечения (круглой, прямоугольной и другой произвольной формы); размер его поперечного сечения; длину; его ориентацию (протяжённость вдоль одной из осей координат и последовательный поворот относительно осей X, Y, Z); поперечное отклонение оси волокна от прямой; количество разбиений вдоль оси на равные части; интервалы случайного отклонения значений геометрических характеристик включений, а также тип и параметры функции их распределения; параметры изогнутости центральной линии волокон. Параметры изогнутости центральной линии волокна включают: максимально допустимое поперечное отклонение центральной линии волокна от оси волокна (прямой линии), допустимый интервал случайного разброса этого отклонения, а также тип и параметры функции распределения случайного разброса.
Под величиной объемной доли волокон в КМ понимают ее заданную величину, не равную нулю. Величина минимально допустимого расстояния между волокнами (их ближайшими точками) задается во входных данных.
Изобретение поясняется фигурами 1-4.
На фиг. 1 представлен пример расположения двух крайних точек волокна (точки (x1;y1;z1) и (x2;y2;z2)) в элементарной ячейке, ось волокна (прямая линия, проходящая через эти точки) и центральная линия волокна (изогнутая линия), пунктиры соединяют точки экстремумов с осью.
На фиг. 2 представлен пример цилиндрического прообраза волокна, построенный вокруг оси волокна в системе координат XYZ.
На фиг. 3 представлен пример построения изогнутого волокна, путем смещения частей прообраза волокна, представленного на фиг.2, в соответствии с полученной центральной линией волокна (фиг. 1).
На фиг. 4 представлена блок-схема алгоритма способа автоматического построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами.
Предлагаемое изобретение осуществляют, выполняя последовательность операций автоматического построения трехмерной модели гетерогенной структуры КМ с волокнами по блок-схеме алгоритма, представленной на фиг. 4:
1. Задают входные данные трехмерной модели КМ в виде текстового файла (входные данные определяют произвольно или считывают с реального образца КМ);
2. Разбивают трехмерную модель КМ на элементарные ячейки, в которых могут быть размещены волокна, с учетом габаритов волокон и минимально допустимого расстояния между ними.
3. Разбивают трехмерную модель КМ на воксели с целью осуществления контроля пересечения волокон друг с другом и их выхода за габариты модели. Размер вокселя определяется необходимой точностью гладкости включения и минимального расстояния между ними.
4. Оценивают величину объёмной доли волокон в трехмерной модели КМ на основе ее объема, объема одного включения и заданной величины объемной доли волокон (не равная нулю).
5. Проводят последовательное размещение волокон в объеме трехмерной модели КМ согласно следующей процедуре, выполняемой для каждого волокна:
5.1. Определяют свободную элементарную ячейку с использованием генератора случайных чисел (с учетом числа неудачных попыток; при превышении заданного числа неудачных попыток размещения волокна процедура завершается принудительно).
5.2. Определяют координаты двух точек (крайних точек волокна), равноудаленных от центра ячейки с учетом входных данных (средней длины волокна, ориентации в пространстве) и генератора случайных чисел в выбранной элементарной ячейке.
5.3. Осуществляют построение функции, описывающей изогнутый профиль волокна:
5.3.1. Производят параллельный перенос крайних двух точек на некоторое расстояние, определяемое с использованием генератора случайных чисел, ограниченное габаритами волокна и минимальным допустимым расстоянием между волокнами.
5.3.2. Проверяют попадание двух крайних точек в сгенерированные волокна и выход за границы модели КМ (при необходимости процедуру повторяют, начиная с пункта 5.1).
5.3.3. Определяют количество экстремумов кубической параболы, описывающей центральную линию волокна (один или два) с использованием генератора случайных чисел.
5.3.4. Определяют положение экстремумов на оси волокна (в случае единственного экстремума – только одного) с использованием генератора случайных чисел.
5.3.5. Определяют коэффициенты кубической параболы, описывающей отклонение центральной линии волокна от его оси с учетом заданной величины поперечного отклонения волокна (фиг. 1).
5.3.6. Определяют ориентацию плоскости, в которой лежит центральная линия и ось волокна, относительно системы координат с использованием генератора случайных чисел.
5.4. Осуществляют построение прообраза волокна, разбиение его на части и смещение частей волокна.
5.4.1. Строят прообраз волокна в системе координат XYZ в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью волокна, а крайние точки волокна являются геометрическими центрами оснований этого цилиндра (фиг. 2).
5.4.2. Разбивают прообраз волокна поперек оси волокна на равные части (их количество определяет гладкость волокна и задается во входных данных).
5.4.3. Сдвигают каждую часть прообраза волокна в пространстве перпендикулярно оси волокна таким образом, чтобы геометрический центр этой части лежал на центральной линии волокна (кубической параболы, определенной в пункте 5.3.5) (фиг. 3).
5.5. Проводят определение вокселей, которые находятся внутри объема КМ и принадлежат волокну (т.е. всем его частям, представляющим собой простые цилиндры).
5.6. Проводят проверку на предмет пересечения волокна с другими волокнами на основе вокселей, определенных в пункте 5.5 (при необходимости процедуру повторяют, начиная с пункта 5.1).
6. Проводят проверку достижения заданной величины объемной доли волокон в трехмерной модели КМ (процедура размещения включений завершается в случае достижения заданной объемной доли включений).
Частные варианты исполнения алгоритма предлагаемого способа:
- в пункте 1 входные данные КМ могут быть заданы с помощью графического интерфейса;
- в пункте 5.4.1 в качестве прообраза волокна вместо цилиндра могут быть использованы обобщенный цилиндр (цилиндр с основанием произвольной формы) или призма с произвольным количеством боковых граней.
Преимущества предлагаемого изобретения заключаются в следующем:
- возможность компьютерного моделирования сложной волокнистой внутренней структуры КМ;
- возможность учета специфики внутренней структуры КМ с наполнителем в виде волокон различных размеров и направленности (ориентации) при компьютерном моделировании;
- сокращение временных ресурсов на поиск свободного места расположения очередного включения за счет предварительного разбиения трехмерной модели КМ на элементарные ячейки;
- сокращение временных ресурсов на поиск вокселей, принадлежащих волокну с изогнутой центральной линией, за счет разбиения волокна на составные цилиндрические части.
Claims (23)
1. Способ автоматизированного построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала (КМ) с волокнами, содержащий следующие этапы:
- задание входных данных модели КМ, представленных в виде текстового файла, причем задание входных данных модели КМ осуществляют через графический интерфейс, при этом используют входные данные, заданные произвольно;
- разбиение модели КМ на элементарные ячейки;
- разбиение модели КМ на воксели;
- оценивание величины объемной доли волокон в модели КМ с последующим размещением волокон в объеме модели КМ, этот этап включает следующий цикл действий:
- определение свободной элементарной ячейки;
- определение координат двух крайних точек волокна, равноудаленных от центра ячейки;
- построение функции, описывающей изогнутый профиль волокна, при этом
производят параллельный перенос двух крайних точек на некоторое расстояние, ограниченное габаритами волокна и минимальным допустимым расстоянием между волокнами;
проверяют попадание двух крайних точек в сгенерированные волокна и выход за границы модели КМ, при необходимости процедуру повторяют, начиная с операции определения свободной элементарной ячейки;
определяют количество экстремумов кубической параболы, описывающей центральную линию волокна, один или два;
определяют положение экстремумов на оси волокна;
определяют коэффициенты кубической параболы, описывающей отклонение центральной линии волокна от его оси;
определяют ориентацию плоскости, в которой лежит центральная линия и ось волокна, относительно системы координат;
- построение прообраза волокна, разбиение его на части и смещение частей волокна, причем
строят прообраз волокна в системе координат XYZ в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью волокна, а крайние точки волокна являются геометрическими центрами оснований этого цилиндра;
разбивают прообраз волокна поперек оси волокна на равные части, их количество определяет гладкость волокна, и задают во входных данных;
сдвигают каждую часть прообраза волокна в пространстве перпендикулярно оси волокна таким образом, чтобы геометрический центр этой части лежал на центральной линии волокна;
- определение вокселей, принадлежащих волокну;
- проведение проверки на предмет пересечения волокна с другими волокнами, при необходимости указанный цикл действий повторяют;
- проведение проверки на достижение заданной величины объемной доли волокон в трехмерной модели КМ и, в случае его достижения, завершение операции размещения волокон.
2. Способ по п. 1, в котором используют входные данные, заданные, например, с реального образца КМ.
3. Способ по п. 1, в котором в качестве прообраза волокна вместо цилиндра используют обобщенный цилиндр, т.е. цилиндр с основанием произвольной формы или призму с произвольным количеством боковых граней.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018123154A RU2689803C1 (ru) | 2018-06-26 | 2018-06-26 | Способ автоматизированного построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018123154A RU2689803C1 (ru) | 2018-06-26 | 2018-06-26 | Способ автоматизированного построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2689803C1 true RU2689803C1 (ru) | 2019-05-29 |
Family
ID=67037566
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018123154A RU2689803C1 (ru) | 2018-06-26 | 2018-06-26 | Способ автоматизированного построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2689803C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113792420A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-12-14 | 西北工业大学 | 一种考虑界面的单向随机纤维复合材料微观结构生成方法 |
CN117283864A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-12-26 | 常州维仁数字科技有限公司 | 一种纤维增强材料的3d打印数字模型构建方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2005129896A (ru) * | 2005-09-26 | 2007-04-10 | Государственное унитарное предпри тие "Конструкторское бюро приборостроени " (RU) | Способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования |
RU2325691C1 (ru) * | 2006-08-24 | 2008-05-27 | Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" | Способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования |
-
2018
- 2018-06-26 RU RU2018123154A patent/RU2689803C1/ru active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2005129896A (ru) * | 2005-09-26 | 2007-04-10 | Государственное унитарное предпри тие "Конструкторское бюро приборостроени " (RU) | Способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования |
RU2325691C1 (ru) * | 2006-08-24 | 2008-05-27 | Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" | Способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113792420A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-12-14 | 西北工业大学 | 一种考虑界面的单向随机纤维复合材料微观结构生成方法 |
CN113792420B (zh) * | 2021-08-31 | 2024-03-19 | 西北工业大学 | 一种考虑界面的单向随机纤维复合材料微观结构生成方法 |
CN117283864A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-12-26 | 常州维仁数字科技有限公司 | 一种纤维增强材料的3d打印数字模型构建方法 |
CN117283864B (zh) * | 2023-09-28 | 2024-04-23 | 常州维仁数字科技有限公司 | 一种纤维增强材料的3d打印数字模型构建方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104077428B (zh) | 一种服务产业联盟的远程有限元分析方法 | |
Brumana et al. | HBIM challenge among the paradigm of complexity, tools and preservation: the Basilica di Collemaggio 8 years after the earthquake (L'Aquila) | |
Lou et al. | Merging enriched finite element triangle meshes for fast prototyping of alternate solutions in the context of industrial maintenance | |
RU2689803C1 (ru) | Способ автоматизированного построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами | |
CN103631981B (zh) | 设计由深度元素表示的建模体 | |
CN104252716A (zh) | 一种基于逆向工程的博物馆藏品三维数字建模的系统及其使用方法 | |
US6813592B1 (en) | Method for crack propagation simulation | |
CN104851126A (zh) | 基于广义圆柱体的三维模型分割方法及装置 | |
CN113987856A (zh) | 一种基于标架场的复杂多约束结构网格生成方法 | |
US6882893B2 (en) | Method of designing product using 3-dimensional model | |
CN105205865A (zh) | 一种适用于岩体的建模方法 | |
CN111415403A (zh) | 基于路面扫描数据建虚拟实验数字路面的方法及存储介质 | |
Liang et al. | Scalable parallel implementation of CISAMR: a non-iterative mesh generation algorithm | |
CN104978466A (zh) | 用于多引导线的三维定数布筋方法 | |
Cai et al. | Intelligent building system for 3D construction of complex brick models | |
JP3786410B2 (ja) | フィレット作成方法、及び3次元cadプログラム | |
CN110009742A (zh) | 用于有限元素网格修复的系统和方法 | |
CN115630542A (zh) | 一种薄壁加筋结构的加筋布局优化方法 | |
Lou et al. | Towards CAD-less finite element analysis using group boundaries for enriched meshes manipulation | |
RU2670922C1 (ru) | Способ автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала | |
Sampaio et al. | Analysis of BIM implementation in structural projects | |
CN112685936A (zh) | 一种用于贝壳珍珠母微结构有限元分析的建模方法 | |
JP2022541932A (ja) | コンピュータ実装された金型キャビティへの充填プロセスのシミュレーション方法 | |
Hofmeyer et al. | Pre-processing parallel and orthogonally positioned structural design elements to be used within the finite element method | |
Nazarenko et al. | Method of the finite-element model formation containing the 3D elements for structural calculations of the reinforced concrete structures considering the crack opening |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20191113 Effective date: 20191113 |