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 PDF

Info

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
Application number
RU2018123154A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Сергеевич Григорьев
Сергей Юрьевич Коростелев
Андрей Иванович Дмитриев
Алексей Юрьевич Смолин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Priority to RU2018123154A priority Critical patent/RU2689803C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2689803C1 publication Critical patent/RU2689803C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00Manipulating 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.
RU2018123154A 2018-06-26 2018-06-26 Способ автоматизированного построения трехмерной модели гетерогенной структуры композиционного материала с волокнами RU2689803C1 (ru)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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