(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210846063.3 (22)申请日 2022.07.19 (71)申请人 福州大学 地址 362251 福建省泉州市晋 江市金井镇 水城路1号福州大 学晋江科教园 (72)发明人 张超　徐若兵　黄伟　林惠玉　 赖志超　余印根　 (74)专利代理 机构 福州元创专利商标代理有限 公司 35100 专利代理师 陈明鑫　蔡学俊 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 一种适用 于纤维增强水泥基复合材料的空 间纤维模拟方法 (57)摘要 本发明涉及一种适用于纤维增强水泥基复 合材料的空间纤维模拟方法。 该方法将模型空间 在X轴、 Y轴、 Z轴三个方向划分为多个子区域， 基 于子区域的概念实现新生成纤维与已生成的纤 维的空间相交判断， 减少了相 交判断的时间， 提 高了空间 纤维投放的运 算效率。 权利要求书5页 说明书9页 附图7页 CN 115130320 A 2022.09.30 CN 115130320 A 1.一种适用于纤维增强水泥基复合材料的空间纤维模拟方法， 其特征在于， 将模型空 间从X轴、 Y轴、 Z轴三个方向进 行区域划分， 判断空间纤维所在的子区域的数量及位置， 只需 与其所经过区域内的已生成的纤维进行相交判断。 2.根据权利要求1所述的一种适用于纤维增强水泥基复合材料的空间纤维模拟方法， 其特征在于， 该 方法实现步骤如下： 步骤S1、 确定拟投放的纤维根数N； 步骤S2、 进行空间子区域划分； 步骤S3、 生成第n 根空间纤维， 其中1≤n≤N； 步骤S4、 判断第n 根空间纤维是否超出基 体边界； 步骤S5、 判断第n 根空间纤维所在子区域的数量 NNn及子区域编号 NOn； 步骤S6、 第n根空间纤维与其所在子区域N On中已投放纤维的相交判断， 投放的第一根纤 维无需相交判断， 直接进入步骤S7； 步骤S7、 第n 根空间纤维的空间信息储 存； 步骤S8、 继续投放 n＝n+1根空间 纤维； 步骤S9、 当n＝N时， 所有N根空间纤维投放结束； 输出所有N根空间纤维的两端节点坐 标， 即模型矩阵MA。 3.根据权利要求2所述的一种适用于纤维增强水泥基复合材料的空间纤维模拟方法， 其特征在于， 步骤S1中， 拟投放的纤维根数N由式(1)计算得 出： 式中， df为纤维直径， lf为纤维长度， Vf为目标纤维体积分数， L、 B、 H为基体 的长、 宽、 高 的尺寸； 计算得到的纤维根数为小数时， 四舍五入近似取整。 4.根据权利要求2所述的一种适用于纤维增强水泥基复合材料的空间纤维模拟方法， 其特征在于， 所述 步骤S2具体实现方式如下： 步骤S2.1、 试件的空间子区域划分： 先把模型从X轴， Y轴， Z轴三个方向划分m,n,k个小区域， 划分的空间子区域的数量Q＝ m*n*k； X轴， Y轴， Z轴三个方向子区域长度分别为AL  mm,BLmm,CLmm； 其中， 子区域的边长最 小值， 即min{AL,BL,CL}， 应大于等于单根纤维长度l， 即应满足式(2) min{AL,BL,CL}>l                    (2) 步骤S2.2、 空间子区域的区域命名： 设X轴， Y轴， Z轴三个方向的轴序号分别为XN， YN， ZN， 则每个子区域编号为XN*100+YN* 10+ZN； 步骤S2.3、 为空间子区域创建空矩阵Wj； 每个子区域各创 建一个空矩阵Wj， 其中j为区域名； Wj为用于记录经过该子区域内纤维 的两端点 坐标。 5.根据权利要求4所述的一种适用于纤维增强水泥基复合材料的空间纤维模拟方法， 其特征在于， 所述 步骤S3具体实现方式如下： 步骤S3.1、 生成第n 根平面纤维： 在X‑Y平面以原点为起始点生成一根直线纤维； 直线纤维用端点坐标P1n， P2n表示； 生成权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115130320 A 2步骤如下： (1)选取原点(0， 0， 0)作为纤维起始点P1n； (2)在(‑π， π )范围内随机 定义水平取向角 确定纤维的方向； (3)根据纤维长度l， 水平取向角 和纤维起始点(0,0,0)计算得纤维终点P2n坐标， 纤 维终点P2n坐标为 此时， P1n、 P2n的坐标为(xa,ya,za)； 步骤S3.2、 将第n 根平面纤维转 化成第n根三维空间 纤维： 基于P1n、 P2n的初始坐标(xa,ya,za)， 分别绕X、 Y、 Z轴在三个方向进行角度α、 β、 γ的旋 转； 然后， 再分别在X、 Y、 Z方向进行Δx、 Δy、 Δz的平移； 最后， 得到拟投放的三维空间纤维 P1n、 P2n的空间坐标(xb,yb,zb)， 具体如下式： 其中(xa,ya,za)为旋转平 移前某个坐标点， (xb,yb,zb)为旋转平 移后坐标点。 6.根据权利要求5所述的一种适用于纤维增强水泥基复合材料的空间纤维模拟方法， 其特征在于， 所述 步骤S4具体实现方式为： 判断第n根空间纤维两个端点坐标P1n、 P2n是否超出基体边界； 设点P1n， P2n坐标的X轴、 Y 轴和Z轴的最大值 为Xmax、 Ymax、 Zmax， 最小值为Xmin、 Ymin、 Zmin； 通过式(4)进行超出基 体边界的判断： min{Xmin,Ymin,Zmin}>0且Xmax<L且Ymax<B且Zmax<H             (4) 当式(4)成立时， 进行步骤S5； 当式(4)不成立时， 去除此纤维， 重新回到步骤S3 。 7.根据权利要求6所述的一种适用于纤维增强水泥基复合材料的空间纤维模拟方法， 其特征在于， 所述 步骤S5具体实现方式如下： 步骤S5.1、 计算第n 根空间纤维的两个端点P1n、 P2n所在子区域的轴序号： 端点P1n(x1n， y1n， z1n)所在的子区域轴序号XN1n、 YN1n、 ZN1n可同下式(5)、 (6)、 (7)得到： XN1n＝[x1n/AL]+1                           (5) YN1n＝[y1n/BL]+1                           (6) ZN1n＝[z1n/CL]+1                           (7) 端点P2n(x2n， y2n， z2n)所在的子区域轴序号XN2n、 YN2n、 ZN2n可同下式(8)、 (9)、 (10)得到： XN2n＝[x2n/AL]+1                           (8) YN2n＝[y2n/BL]+1                           (9) ZN2n＝[z2n/CL]+1                          (10) 设纤维端点P1n、 P2n所在子区域的最大轴序号分别为X1、 Y1、 Z1， 其计算式如下式(1 1) 最小轴序号分别为X2、 Y2、 Z2， 其计算式如下式(12)：权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115130320 A 3