(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 202210849971.8 (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　董桔灿　 (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 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种水泥基体中柔性纤维束的数值模拟方 法 (57)摘要 本发明涉及一种水泥基体中柔性纤维束的 数值模拟方法。 用于生成柔性纤维在水泥基体中 随机分布模 型。 该方法先生 成包含多根曲线纤维 的纤维团簇， 纤维团簇中的纤维互不相交， 只需 计算各纤维团簇中心的纤维的距离来判断纤维 是否相交， 故大大提高了运算速率， 减少了程序 运行时间， 而且符合了柔性纤维在水泥基中的存 在状态。 权利要求书5页 说明书9页 附图6页 CN 115238547 A 2022.10.25 CN 115238547 A 1.一种水泥基体中柔性纤维束的数值模拟方法， 其特征在于， 用于生成柔性纤维在水 泥基体中随机分布模型， 该方法先生成包含多根 曲线纤维的纤维团簇， 纤维团簇中的纤维 互不相交， 只需计算各纤维团簇中心的纤维的距离来判断纤维是否相交。 2.根据权利要求1所述的一种水泥基体中柔性纤维束的数值模拟方法， 其特征在于， 该 方法实现步骤如下： 步骤S1、 确定拟投放目标的相关参数； 步骤S2、 计算拟投放的纤维根数N； 步骤S3、 生成第n个纤维团簇， n≥1； 步骤S4、 判断第n个空间 纤维团簇是否超出基 体边界； 步骤S5、 判断第n个空间纤维团簇与已投放的n ‑1个空间纤维团簇是否相交， 投放的第 一个纤维团簇即n ＝1时无需相交判断， 直接进入步骤S6； 步骤S6、 确定第n个空间纤维团簇中剩余的in‑1根纤维位置， 当in＝1时直接进入步骤 S7； 步骤S7、 第n个空间 纤维团簇的空间信息储 存； 步骤S8、 判断曲线纤维投放是否结束。 3.根据权利要求2所述的一种水泥基体中柔性纤维束的数值模拟方法， 其特征在于， 所 述步骤S1具体实现如下： 确定基体长L、 宽B、 高H； 纤维直径df， 纤维长度lf， 目标纤维体积分数Vf； 创建空矩阵MA 和空矩阵MB； MA矩阵用于存储已投放的所有纤维的空间坐标； MB矩阵用于存储已投放的纤维团簇 中 心纤维空间坐标和纤维团簇半径。 4.根据权利要求3所述的一种水泥基体中柔性纤维束的数值模拟方法， 其特征在于， 所 述步骤S2具体实现如下： 拟投放的纤维根数N为一个模型中达到目标纤维体积分数Vf要投放的单根曲线纤维总 数； 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。 5.根据权利要求4所述的一种水泥基体中柔性纤维束的数值模拟方法， 其特征在于， 所 述步骤S3具体实现如下： 步骤S3.1、 确定第n个纤维团簇中单根纤维数in和纤维团簇半径Rn： 纤维团簇的呈现形式为以一根纤维为中心， 其它根纤维紧密堆积而成； 随机确定第n个 纤维团簇中纤维根数in， 其中1≤in≤iMax， iMax为模型中要求的纤维团簇中单根纤维数的最 大值； e为已投放的单根曲线纤维根数， 当N ‑e≤iMax时， in＝N‑e； 纤维团簇半径 Rn为第n个纤 维团簇中心纤维圆心 点到最外层纤维边缘的距离； 因纤维半径相同， 纤维截面为同等圆， 故 一根纤维第一层外最多由6根纤维围绕； 第二层外最多由12根纤维围绕， 依次类推第s层由 6*s根纤维围绕； 根据第n个纤维团簇中围绕团簇中心纤维的层数sn， 计算出其纤维团簇半 径Rn； 纤维团簇半径Rn的具体计算如式(2)所示：权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115238547 A 2Rn＝sn*df+0.5*df                               (2) 步骤S3.2、 生成第n个平面曲线纤维团簇中心纤维： 在X‑Y平面以原点为起始点生成第一根曲线纤维； 曲线纤维模型由一个圆弧部分和nl 根直线构成， 直线与圆弧部 分相切， 0≤nl≤2； 为简化参数， 圆弧部 分离散为w段长度相等的 首尾相连直线段， w 为圆弧段的划分数量； 步骤S3.3、 生成第n个空间曲线纤维团簇： 设第n个平面纤维团簇中心纤维初始坐标为(xa,ya,za)， 纤维团簇分别绕X、 Y、 Z轴在三 个方向进行角度αn、 βn、 γn的旋转； 然后， 再分别在X、 Y、 Z 方向进行Δxn、 Δyn、 Δzn的平移。 最 后， 得到拟投放的三维空间 纤维团簇中心纤维的空间坐标(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所述的一种水泥基体中柔性纤维束的数值模拟方法， 其特征在于， 所 述步骤S4具体实现如下： 设第n个空间曲线纤维团簇中心纤维坐标点的X轴、 Y轴和Z轴的最大值为(Xn)max、 (Yn)max、 (Zn)max， 最小值为(Xn)min、 (Yn)min、 (Zn)min； 通过式(5)进行超出基 体边界的判断： min{(Xn)min,(Yn)min,(Zn)min}>0且(Xn)max<L且(Yn)max<B且(Zn)max<H(5) 当式(5)成立时， 进行步骤S5； 当式(5)不成立时， 去除此纤维团簇， 重新回到步骤S2。 7.根据权利要求6所述的一种水泥基体中柔性纤维束的数值模拟方法， 其特征在于， 所 述步骤S5具体实现如下： 步骤S5.1、 提取已投放的n ‑1个空间纤维团簇半径R和团簇中心纤维的空间信息， 即矩 阵MB； 步骤S5.2、 依次计算第n个空间纤维团簇中心纤维第j(1≤j≤(nl+w))个直线段与已投 放的第m(1≤m≤(n ‑1))个空间纤维团簇中心 纤维的最小距离(dn)jm； 曲线纤维都是由直线 段组成， 则投放的第n根纤维团簇中心纤维的第j个直线段与已投放的第m个纤维团簇中心 纤维的最小距离(dn)jm＝min{dnj1,dnj2,dnj3,dnj4,dnj5,...,dnj(nl+w)}， 其中第n个纤维团簇中 心纤维的第j个直线 段与已投放的第m个纤维团簇中心纤维的第k(1≤k≤(nl +w))个直线 段 最小距离dnjk的算法如下： 设第n个空间纤维团簇中心纤维的第j个直线段为直线l1， 端点坐标分别记为Pj1(x1， y1， z1)、 Pj2(x2， y2， z2)、 已投放纤维团簇第m个团簇中心纤维的第k个直线段为直线l2， 端点 坐标分别记为Qk1(x1， y1， z1)、 Qk2(x2， y2， z2)； 直线l1和直线l2方向向量分别为 则直线l1和直线l2的任意一点坐标由下式表示： 其中0≤ λ1≤1， 0≤ λ2≤1；权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115238547 A 3