Способ автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала

Авторы патента:

G06F17/50 - автоматизированное проектирование

C08J5/04 - армирование высокомолекулярных соединений сыпучим или связанным волокнистым материалом (последующая обработка нитей в процессе производства D01F)

Владельцы патента RU 2670922:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к области компьютерного проектирования и может быть использовано при решении задач дизайна внутренней структуры композиционных материалов (КМ), армированных волокнами. Cпособ автоматического построения компьютерной модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала позволяет получить модель гетерогенной волокнистой структуры композиционного материала с заданными параметрами, которая может быть интегрирована в современные программные комплексы для компьютерного моделирования с использованием лагранжевых численных методов. Способ также включает считывание входных данных образца КМ и выполнение последовательности операций автоматического построения, причем входные данные заданы произвольно или выбраны из данных о реальном объекте. Технический результат заключается в обеспечении автоматизированного создания модели объекта, учитывающей геометрические характеристики отдельных волокон (в том числе изогнутость) и их пространственную ориентацию в модели. 7 ил.

Известен способ моделирования многокомпонентных изделий в компьютерных системах двух- и трехмерного проектирования, RU 2622211, G06F 17/50, G06T 17/00, опубл. 13.06.2017. В способе создают компьютерные модели требуемых промежутков между деталями, причем основная часть геометрии моделей промежутков определяется геометрией разделяемых ими деталей, а компонуемый объект формируется как совокупность компьютерных моделей деталей и промежутков.

Недостатком известного изобретения является отсутствие возможности задания компонентов внутренней структуры материала и оценки дисперсии и анизотропии локальных механических свойств, определяемых, в том числе, неравноосностью компонентов и наличием преимущественной ориентации их расположения.

Известен способ автоматического построения трехмерной геометрической модели изделия в системе геометрического моделирования, RU 2308763, G06F 17/50, G06T 17/00, опубл. 20.10.2007. 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 также является отсутствие возможности дизайна внутренней структуры материала на масштабе отдельных фаз или армирующих элементов материала изделия.

Технологической проблемой заявляемого изобретения является разработка способа автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала, позволяющей получить модель гетерогенной волокнистой структуры композиционного материала с заданными параметрами, которая может быть интегрирована в современные программные комплексы для компьютерного моделирования с использованием лагранжевых численных методов.

Технический результат также заключается в обеспечении автоматизированного создания модели объекта, учитывающей геометрические характеристики отдельных волокон (в том числе изогнутость) и их пространственную ориентацию в модели.

Указанный технический результат достигается тем, что способ автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала (КМ) включает считывание входных данных образца КМ и выполнение последовательности операций автоматического построения, причем входные данные заданы произвольно или выбраны из данных о реальном объекте.

При этом в качестве входных данных используют:

- геометрические характеристики исходного образца КМ;

- интервал допустимых значений геометрических характеристик волокон в образце КМ, включая превалирующую пространственную ориентацию в образце КМ;

- объемную долю включений (волокон) в образце КМ.

Последовательность операций автоматического построения модели КМ включает:

- считывание входных данных, представленных в виде текстового файла, или их задание через графический интерфейс;

- оценивание количества волокон в модели КМ;

- определение конкретных геометрических характеристик каждого волокна в модели КМ;

- разбиение исходного образца на элементы с целью осуществления контроля пересечения волокон друг с другом и их выхода за габариты образца; размер ячеек определяет величину погрешности при выполнении

- последовательное выполнение следующего набора операций для размещения каждого волокна в модели КМ: определение пространственного положения каждого волокна в объеме модели КМ и функции, описывающей изогнутый профиль волокна; определение элементов модели, которые принадлежат волокну; контроль пересечения волокон друг с другом и их выхода за габариты исходного образца; повторение перечисленного набора операций для включения в случае неуспешного прохождения контроля; контроль достижения заданной объемной доли волокон в модели КМ и окончание размещения волокон при выполнении данного условия;

- интеграция созданной модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ с выбранным вычислительным методом для дальнейшей обработки, проведения расчетов и визуализации.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в автоматизированном выполнении последовательности операций, направленных на построение компьютерной модели композиционного материала с гетерогенной волокнистой внутренней структурой, параметры которой максимально соответствуют входным данным, которые заданы произвольно или соответствуют параметрам реального КМ.

В рамках предлагаемого изобретения под входными данными понимают:

– геометрические характеристики исходного образца;

– интервал допустимых значений геометрических характеристик волокон в образце КМ, включая превалирующую пространственную ориентацию в образце;

– объемную долю волокон в образце КМ.

Геометрические характеристики (параметры) исходного образца КМ включают его внешние границы и внутренние контуры (если образец содержит несплошности, или некоторые области образца не должны быть заполнены волокнами, фиг. 1) в некоторой декартовой системе координат.

Геометрические характеристики волокон в модели содержат: минимальное расстояние между волокнами; среднее значение длины волокон, допустимый интервал отклонения длины волокон от среднего значения, а также тип и параметры функции дисперсии длины волокон; среднее значение диаметра волокон, допустимый интервал отклонения диаметра волокон от среднего значения, а также тип и параметры функции дисперсии диаметра волокон; средние значения углов наклона осей волокон, определяющие их ориентацию в системе координат модели, допустимый интервал отклонения углов наклона от средних значений, а также тип и параметры функции дисперсии углов наклона осей волокон; параметры изогнутости профиля волокон. Параметры изогнутости профиля волокон включают: среднее значение амплитуды отклонения участков волокна от прямой линии, допустимый интервал разброса амплитуд отклонения участков волокон от прямой линии, а также тип и параметры функции дисперсии амплитуды; среднее расстояние между опорными точками на оси волокна, в которых отклонение профиля волокна от прямой линии должно быть равно значению амплитуды для данного волокна, допустимый интервал вариации расстояния между опорными точками около среднего значения, а также вид и параметры функции дисперсии расстояния между опорными точками; минимальное разрешенное расстояние от опорных точек до крайних точек линии оси волокна.

Изобретение поясняется фигурами 1-7.

На фиг. 1 представлен пример геометрической структуры двумерного исходного образца КМ.

На фиг. 2 представлена схема разбиения образца КМ на элементы.

На фиг. 3 представлен пример определения координат крайних точек включения (x₁;y₁) и (x₂;y₂), которые определяются с использованием генератора случайных чисел. Линией показана ось волокна.

На фиг. 4 представлен пример построения аппроксимационной функции волокна (показана сплошной изогнутой линией) по двум опорным точкам волокна (x₃;y₃) и (x₄;y₄), в которых отклонение линии волокна от прямой (изображена пунктиром) является максимальным, и двум крайним точкам волокна (x₁;y₁) и (x₂;y₂).

На фиг. 5 представлены элементы (показаны темно серым цветом), координаты которых находятся в пределах координатной области, занятой изогнутым волокном заданного диаметра.

На фиг. 6 представлена блок-схема алгоритма автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ.

На фиг. 7 представлен пример интеграции созданной двумерной модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ с методом подвижных клеточных автоматов. Светло серым цветом показаны автоматы, моделирующие матрицу, темно-серым – волокна.

Последовательность операций автоматического построения модели КМ представлена в виде блок-схемы на фиг. 6:

- Считывание входных данных, представленных в виде текстового файла, или их задание через графический интерфейс.

- Разбиение исходного образца на элементы (фиг. 2).

- Оценивание количества волокон в модели КМ, которое соответствует заданной объемной доли волокон в образце КМ.

- Определение конкретных значений геометрических характеристик каждого волокна в модели КМ (длины, диаметра и пространственной ориентации волокна в системе координат модели). Конкретные значения параметров, для которых заданы диапазоны значений и функции дисперсии, определяются с использованием генератора случайных чисел и заданных дисперсионных функций.

- Последовательное размещение волокон в объеме модели с использованием генератора случайных чисел согласно следующей процедуре, выполняемой для каждого волокна:

а) с использованием генератора случайных чисел определяются координаты крайних точек волокна, характеризующегося определенными выше значениями длины и углов наклона в системе координат модели; крайними точками волокна считаются крайние точки на его оси (точки (x₁;y₁) и (x₂;y₂) на фиг. 3);

б) на основе входных данных с использованием генератора случайных чисел определяется положение опорных точек на оси волокна и амплитуда отклонения линии волокна от оси волокна;

в) для каждой опорной точки волокна определяется ориентация вектора нормали к оси волокна (длина вектора нормали равна амплитуде отклонения положения линии волокна от прямолинейной оси волокна); координаты конца вектора нормали соответствуют новому положению опорной точки – на линии изогнутого волокна);

г) построение апроксимационной функции (фиг. 4) волокна (функции, которой принадлежат крайние точки волокна и точки, определенные в пункте (в));

д) определение элементов, координаты которых соответствуют координатам волокна, путем сравнения координат элементов с габаритами волокна, характеризуемыми построенной аппроксимационной функцией линии волокна и диаметром волокна (фиг. 5);

е) проверка пересечения нового волокна с уже существующими включениями, а также контурами областей исходного образца, в которых разрешено размещение волокон; в случае неудовлетворительного результата выполнение этапов а) – е) процедуры для размещаемого волокна повторяется.

ж) проверка достижения заданной объемной доли волокон в модели КМ; процедура размещения волокна завершается в случае достижения заданной объемной доли волокна (заданная объемная доля волокон оценивается как отношение числа элементов, принадлежащих волокнам, к общему числу элементов в модели).

Далее осуществляют интеграцию созданной модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ с выбранным вычислительным методом (например, методом подвижных клеточных автоматов, фиг. 7, либо методом дискретных элементов, методом конечных элементов и т.д.) для дальнейшей обработки, проведения расчетов и визуализации результатов.

Использование предлагаемого изобретения позволит:

- Минимизировать материальные и временные затраты на создание модели композиционного материала, одним из компонентов которого являются волокна;

- Возможность моделирования сложной волокнистой внутренней структуры композиционных материалов;

- возможность учета специфики внутренней структуры КМ с наполнителем в виде волокон различного размера и направленности (ориентации);

- Достаточно высокая совместимость компьютерных моделей, созданных предлагаемым способом, с различными вычислительными методами и различными вычислительными программными комплексами.

Способ автоматического построения модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры композиционного материала (КМ) путем считывания входных данных образца КМ и выполнения последовательности операций автоматического построения, отличающийся тем, что входные данные заданы произвольно или выбраны из данных о реальном объекте, при этом в качестве входных данных используют:

- геометрические характеристики исходного образца КМ;

- объемную долю волокон в образце КМ;

последовательность операций автоматического построения модели КМ включает:

- оценивание количества волокон в модели КМ;

- определение конкретных геометрических характеристик каждого волокна в модели КМ;

- последовательное выполнение следующего набора операций для размещения каждого в волокна модели КМ: определение пространственного положения каждого волокна в объеме модели КМ и функции, описывающей изогнутый профиль волокна; определение элементов модели, которые принадлежат волокну; контроль пересечения волокон друг с другом и их выхода за габариты исходного образца; повторение перечисленного набора операций для волокна в случае неуспешного прохождения контроля; контроль достижения заданной объемной доли волокон в модели КМ и окончание размещения волокон при выполнении данного условия;

- интеграцию созданной модели гетерогенной волокнистой внутренней структуры КМ с выбранным вычислительным методом для дальнейшей обработки, проведения расчетов и визуализации.

Изобретение относится к системе интегрированного концептуального проектирования месторождения углеводородов. Технический результат заключается в повышении эффективности системы проектирования месторождений углеводородов.

Способ прогнозирования разрывов, устройство прогнозирования разрывов, программа, носитель записи и способ вычисления критерия распознавания разрывов // 2670575

Изобретение относится к способу прогнозирования разрывов, устройству прогнозирования разрывов и способу вычисления критерия распознавания разрывов. Сущность: прогнозируют разрыв соединительного участка объекта, подлежащего анализу, включающего в себя пару элементов, соединенных друг с другом, посредством использования метода конечных элементов, при этом способ содержит: первый этап, на котором получают по меньшей мере размер элемента участка основного материала, из числа параметров, заданных в элементной модели для объекта, подлежащего анализу; второй этап, на котором вычисляют, в качестве критерия распознавания разрывов, предельный момент разрыва, заданный посредством функции, включающей в себя в качестве переменной размер элемента участка основного материала; и третий этап, на котором распознают, превышает или нет момент, прикладываемый к соединительному участку при анализе деформаций элементной модели для объекта, подлежащего анализу, предельный момент разрыва, и выводят результат распознавания в качестве результата прогнозирования разрывов для соединительного участка.

Способ и устройство цифровой реконструкции репрезентативного элементарного объема микроструктуры композиционного материала // 2670385

Изобретение относится к области цифрового моделирования. Техническим результатом является обеспечение цифровой реконструкции репрезентативного элементарного объема композиционного материала, позволяющей добиться высокой степени заполнения и обеспечивающей адаптацию к различным типам композиционного материала, в частности к композиционным материалам DFC.

Способ моделирования неосесимметричной поверхности // 2670380

Группа изобретений относится к средствам моделирования. Технический результат – повышение качества и точности моделирования части неосесимметричной поверхности участка детали.

Способ моделирования неосесимметричной поверхности // 2670380

Способ моделирования лопасти некапотированного винта // 2670330

Настоящее изобретение относится к способу моделирования по меньшей мере части лопасти (2) некапотированного винта (1), имеющей законцовку (3). Способ содержит этапы, выполняемые при помощи средств (11) обработки данных устройства (10): (а) параметризацию по меньшей мере одной кривой Безье, отображающей деформацию указанной лопасти (2), характеризующую законцовку (3), при этом кривую определяют: а.

Оптимизация многоступенчатого проекта нефтяного месторождения в условиях неопределенности // 2669948

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для управления операциями нефтяного месторождения в условиях неопределенности. В частности предложен способ управления операциями нефтяного месторождения, включающий: получение модели геологической среды, содержащей модель проекта трещины, имеющей свойство трещины с неопределенным значением; получение набора характерных значений, которые отражают неопределенность в свойстве трещины, посредством получения набора характерных значений, представляющих неопределенность в модели скорости распространения сейсмических волн; получение данных микросейсмического события; генерирование набора характерных значений для свойства трещины посредством использования набора характерных значений для модели скорости распространения сейсмических волн и данных микросейсмического события, решение задачи оптимизации нефтяного месторождения с переменным параметром управления посредством использования набора характерных значений для свойства трещины для получения решения, содержащего оптимальное значение для переменного параметра управления; генерирование проекта нефтяного месторождения, основанного на решении; и сохранение проекта нефтяного месторождения.

Способ и устройство для определения n+1-мерной модели окружающей среды и добывающее устройство // 2668428

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано для автономной системы управления горнодобывающей техники. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности работы автономной системы при ее конструктивном упрощении.

Способ и устройство для определения n+1-мерной модели окружающей среды и добывающее устройство // 2668428

Компьютерно-реализуемая система моделирования и разработки конструкторской документации на основе унифицированных по элементарным телам моделей-трансформеров с прямым параметрическим макроизменением // 2667970

Изобретение относится к компьютерно-реализуемой системе моделирования и разработки конструкторской документации. Технический результат заключается в автоматизации моделирования и разработки конструкторской документации.

Способ получения армированного термопластичного композиционного материала и армированный термопластичный композиционный материал // 2670896

Настоящее изобретение относится к способу получения армированного термопластичного композиционного материала и к материалу, полученному этим способом. Способ получения армированного термопластичного композиционного материала заключается в том, что протягивают некрученые непрерывные волокна основы через пропиточную фильеру с калибровочным выходным отверстием; подают в пропиточную фильеру расплавленный полимер, формирующий термопластичную матрицу композиционного материала и содержащий дискретные волокна армирующего наполнителя; при этом выбирают величину тянущего усилия для протягивания основы из условия обеспечения пропитки расплавленным полимером основы в процессе ее протягивания через калибровочное выходное отверстие.

Композиция усиленного полиалкилентерефталата, ее получение и применение // 2665390

Изобретение относится к применению композиции модифицированного усиленного полиалкилентерефталата и формованному изделию из нее. Композиция содержит i) полиалкилентерефталат, ii) сополимер полиалкиленизофталата и полиалкилентерефталата и iii) усиливающее полиалкилентерефталат волокно.

Термотропные полимеры // 2663755

Изобретение относится к полимерным частицам со средним диаметром первичных частиц от 50 нм до 10 мкм, содержащим относительно общей массы: А) от 10 до 100 мас.% полимерной фазы А, получаемой свободнорадикальной сополимеризацией миниэмульсии типа масло-в-воде со смесью мономеров в качестве масляной фазы, содержащей: i) 30-99,9 мас.% одного или нескольких моноэтиленненасыщенных мономеров I с по меньшей мере одной С12-С48-н-алкильной боковой цепью; ii) 0-60 мас.% одного или нескольких моноэтиленненасыщенных мономеров II с по меньшей мере одной С1-С11-н-алкильной и/или одной С3-С48-изоалкильной боковой цепью; iii) 0,1-20 мас.% одного или нескольких мономеров III с по меньшей мере двумя несопряженными этиленовыми двойными связями; iv) 0-69,9 мас.% одного или нескольких (гетеро)ароматических моноэтиленненасыщенных мономеров IV; v) 0-40 мас.% одного или нескольких других моноэтиленненасыщенных мономеров V; и В) от 0 до 90 мас.% полимерной фазы В, получаемой последующей свободнорадикальной привитой сополимеризацией в присутствии полимерной фазы А, полученной после стадии А), смеси мономеров, содержащей: i) 0-100 мас.% одного или нескольких мономеров VI, выбранных из группы С1-С10-алкил(мет)акрилатов; ii) 0-100 мас.% одного или нескольких (гетеро)ароматических моноэтиленненасыщенных мономеров VII; iii) 0-50 мас.% одного или нескольких других моноэтиленненасыщенных мономеров VIII, при этом массовые проценты смесей мономеров, используемых на соответствующих стадиях, составляют в сумме 100 мас.%, причем указанные полимерные частицы являются однофазными полимерными частицами из полимерной фазы А или двухфазными полимерными частицами, содержащими полимерную фазу А и полимерную фазу В.

Шлихтующая композиция для минеральной ваты и полученные изоляционные продукты // 2662742

Изобретение относится к шлихтующей композиции для изоляционных продуктов на основе минеральной ваты, в частности стекловаты или каменной ваты. Шлихтующая композиция содержит по меньшей мере один восстанавливающий сахарид, по меньшей мере один гидрогенизованный сахарид, по меньшей мере один полифункциональный сшивающий агент и по меньшей мере один полиглицерин.

Наномодифицированный эпоксидный композит // 2661583

Изобретение относится к полимерным композитам и предназначено для изготовления теплозащитных покрытий корпусов гиперзвуковых летательных аппаратов. Наномодифицированный эпоксидный композит, включающий эпоксидную смолу, отвердитель, неорганический наполнитель и наночастицы оксида алюминия, или оксида циркония, и/или оксида иттрия в качестве наномодификатора, где в качестве наполнителя содержит кварцевую или кремнеземную ткань объемного переплетения, а наномодификатор выполнен в форме сфер, полученных методом испарения-конденсации, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: смола эпоксидная 100, отвердитель 10, наполнитель 60-65, сферические наночастицы Al2O3, или ZrO2, и/или Y2O3 17-22.

Армированные композиции на основе органических волокон природного происхождения // 2654481

Настоящее изобретение относится к армированному композиционному материалу на основе органических волокон природного происхождения, применяемому в качестве тепловой или аккустической изоляции, а также к способу его получения.

Армированные композиции на основе органических волокон природного происхождения // 2654481

Способ получения композитного материала, армированного волокнами // 2653695

Настоящее изобретение относится к способу получения композитного материала, армированного волокнами. Описан способ получения композитного материала, армированного волокнами, включающий стадию приведения в контакт (i) радикально-отверждаемой смолы, при этом смола представляет собой ненасыщенную полиэфирную смолу, винилэфирную смолу или (мет)акрилатную смолу, (ii) волокон с суммарным содержанием воды 0,5-20% по весу относительно суммарного веса волокон, (iii) по меньшей мере одного соединения, содержащего переходный металл, выбранного из соединений марганца, железа и меди, и (iv) пероксида.

Состав для изготовления полуфабриката прессовочного материала и способ изготовления полуфабриката // 2653157

Изобретение относится к полимерным составам на основе лакового раствора фенолформальдегидной смолы и к способам изготовления полуфабрикатов на их основе. Эти составы применяются для изготовления полуфабрикатов прессовочных материалов общепромышленного назначения.

Эпоксидная масса для крепежных целей, применение этой массы и определенных компонентов // 2643144

Изобретение относится к композициям отверждаемой массы для крепежных целей. Предложена композиция отверждаемой массы для крепежных целей, содержащая эпоксидный компонент (а), содержащий отверждаемые эпоксиды, и отверждающий компонент (b), содержащий композицию из оснований Манниха, полученную взаимодействием определенных аминов, и/или смесь из стиролизованных фенолов и низкомолекулярных аминов, новые композиции из оснований Манниха и/или смеси из стиролизованных фенолов и низкомолекулярных аминов.