基于含能材料近似球型填充最大化的位移矢量填充方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料學(xué)，計算機科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種在含能材料壓縮領(lǐng)域解決大 小不等且位置隨機的球型顆粒填充時分散，間隙過大，造成壓縮艙體填充率低的問題的方 法，
【背景技術(shù)】
[0002] 含能材料即含能化合物，簡稱能材，意為高能量密度的物質(zhì)（HEDM);其表征為該 類物質(zhì)多具有爆炸性、爆燃性或其他經(jīng)過特定激發(fā)條件會高速率高輸出釋放大量能量的物 質(zhì)。含能材料力學(xué)性能主要是指其在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)、濕度）下，承受各種外加載荷 (拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。含能材料其性質(zhì)受到 材料內(nèi)部組成，如物質(zhì)形狀、體積比例等多種因素影響，材料配方的改變對總體力學(xué)性能的 影響很大；同時該物質(zhì)具有爆炸性質(zhì)，因此對含能材料進行制備實驗研究的成本和風(fēng)險都 很高。
[0003] 近幾年來，含能材料力學(xué)性能的數(shù)值模擬已受到越來越多的關(guān)注，由于材料顆粒 成形過程的復(fù)雜性，闡明其成形機理十分困難，特別是如何模擬材料顆粒分布，對實驗過 程和結(jié)果數(shù)據(jù)尤為重要。本模擬采用美國猶他大學(xué)C-SAFE(Center for the Simulation of Accidental Fires and Explosions)石開究中心開發(fā)了 UCF (Uintah Computational Framework)大規(guī)模并行可視化數(shù)值模擬工具Uintah和Visit軟件。
[0004] 從研究情況來看，如何建立球型顆粒細觀結(jié)構(gòu)模型是材料顆粒壓縮過程中的關(guān)鍵 問題之一。國外學(xué)者Baer m等運用分子動力學(xué)的建模方法，建立了相同尺寸且位置隨機分 布的三維炸藥顆粒細觀結(jié)構(gòu)模型，國內(nèi)劉群[2]將炸藥顆粒近似成二維圓形，且按規(guī)則六邊 形排布。以上學(xué)者的理想建模均對實驗數(shù)據(jù)有一定影響。
[0005] 簡單的對球型含能材料隨機排布會造成顆粒間空隙較大，填充率低，與真實裝藥 過程相差甚遠。
[0006] 如果能在放置過程中，合理控制球型顆粒產(chǎn)生的距離從而減小空隙，勢必會增加 顆粒的填充數(shù)量，顆粒間排布更為緊密；即使控制顆粒間放置的距離，顆粒間的間隙依然存 在，若再能通過一定方法，將壓縮艙體"搖晃"，使顆粒間間隙更小，同時騰出一定的空間，便 可繼續(xù)放置，使填充率達到最高。
[0007] 通過對現(xiàn)有國內(nèi)資料的分析，發(fā)現(xiàn)目前還缺少通過控制隨機放置過程，干預(yù)顆粒 產(chǎn)生的距離和放置完畢后使壓縮艙體"搖晃"從而再次嘗試放置的方法。本發(fā)明正是通過分 析現(xiàn)實填充時所產(chǎn)生的間隙，提出一種簡單的有效地解決球型顆粒填充率低問題的算法。 參考文獻
[0008] [1]Baer M R. Modeling heterogeneous energetic materials at the Mesoscale[J]. Thermochimica acta, 2002, 384:351-367.
[0009] [2]劉群，陳朗，魯建英，等.炸藥顆粒壓制成型數(shù)值模擬[J].高壓物理學(xué)報 2009,23 (6).DOI:10. 3969/j. issn. 1000-5773. 2009.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種增加填充率，提高模擬數(shù)據(jù)的真實性的基于含 能材料近似球型填充最大化的位移矢量填充方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種基于含能 材料近似球型填充最大化的位移矢量填充方法，其包括以下步驟：
[0011] 101、將球型顆粒按半徑從大到小隨機放入壓縮艙體中，完成球型顆粒放置階段 后，進入調(diào)整階段；
[0012] 102、調(diào)整階段分為三個過程，建立X y z坐標系，其中X軸、y軸為X y平面上的 橫軸或縱軸，即球型顆粒按X軸坐標從小到大依次向X軸負方向移動、再以y軸坐標從小到 大依次向y軸負方向移動、最后以z軸坐標從小到大依次向z軸負方向移動；過程一：以X 軸坐標將艙體中所有球型顆粒以X軸坐標0點為原點，按X軸坐標從小到大依次向X軸負 方向移動，
[0013] 103、過程二：再以y軸坐標0點為原點，按y軸坐標從小到大依次向y軸負方向移 動；
[0014] 104、過程三：最后以z軸坐標0點為原點，按z軸坐標從小到大依次向z軸負方向 移動，滿足移動之后不與任意球型顆粒相交。
[0015] 進一步的，步驟101中的球型顆粒放置階段具體為：
[0016] 設(shè)球型顆粒的半徑為r2, r3......rn，每放置一個球型顆粒，均與之前所有顆粒
逐次比較，若與任一顆粒相交則放棄本次放置，若與任一顆粒的間隙大于d，同樣放棄本次 放置，每放棄一次放置，放置失敗次數(shù)加1 ;若放置失敗次數(shù)大于最大嘗試次數(shù)則減小半徑 為& (Km < η)，η表示為η種半徑數(shù)量,并將嘗試次數(shù)設(shè)0,再次放置，放置成功應(yīng)滿足如下 不等式：
[0017]
[0018] 其中rpl,2表示任意兩顆粒半徑大小，χρ1, 2表示兩顆粒X坐標大小，ypl,2表示兩顆粒 y坐標大小，Z pli2表示兩顆粒z坐標大小，d表示任意顆粒間最大間隙。
[0019] 進一步的，步驟102中按X軸坐標從小到大依次向X軸負方向移動的步驟具體為： 設(shè)壓縮艙體中共計η個球型顆粒，第一次移動的距離為Cl1，第n-1次移動的距離改變量為 山，山為嘗試移動距離，可根據(jù)具體實驗需求設(shè)定，一般越小越好，移動過程中滿足不與任意 顆粒相交即可，移動方式為：A1、第1個顆粒即由離X軸最近的位置移至與X軸相切，距離為 d1;A2、第2個至第η個顆粒，以X軸坐標從小到大依次嘗試性移動球型顆粒，移動距離以d i 為基準，若左移之后不與任一顆粒相交則以Cl1為減量繼續(xù)左移，否則停止移動，且滿足移動 之后不與任意球型顆粒相交，完成向X軸負方向移動。
[0020] 進一步的，步驟103中按y軸坐標從小到大依次向y軸負方向移動的步驟具體為： B1、將第1個顆粒移至與y軸相切，距離為d1;B2、第2個至第η個顆粒，以z軸坐標從小到 大依次嘗試性移動球型顆粒，移動距離以Cl 1為基準，若前移之后不與任一顆粒相交則以d i 為減量繼續(xù)下移，否則停止移動，且滿足移動之后不與任意球型顆粒相交，完成向y軸負方 向移動。
[0021] 進一步的，步驟104中按z軸坐標從小到大依次向z軸負方向移動方式具體為： CU將離Z軸最近的第1個顆粒移至與Z軸相切，距離為d1;C2、第2個至第η個顆粒，以Z 軸坐標從小到大依次嘗試性移動球型顆粒，移動距離以Cl1為基準，若下移之后不與任一顆 粒相交則以山為減量繼續(xù)下移，否則停止移動，且滿足移動之后不與任意球型顆粒相交，完 成向ζ軸負方向移動。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：
[0023] 放置階段，每生成一個隨機顆粒都會緊挨之前生成的顆粒，該階段避免了因為隨 機使得顆粒相隔太遠而產(chǎn)生空隙較大的問題，增加顆粒填充數(shù)量；
[0024] 調(diào)整階段，經(jīng)過放置階段，顆粒間仍有空隙存在。通過顆粒在X軸、y軸上的水平 方向移動，使得顆粒間更為緊湊，減少空隙，再通過ζ軸上的向下移動，進一步減少空隙并 騰出艙體空間，可循環(huán)進入放置階段繼續(xù)填充顆粒，從而增加填充率。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例圖1為傳統(tǒng)的球型顆粒按照半徑從大到小隨機放置算法 流程圖。
[0026] 圖2為本發(fā)明提出的經(jīng)過改進后填充階段的填充算法流程圖。
[0027] 圖3為整個算法流程圖，包括填充階段和調(diào)整階段。
[0028] 圖4為一般填充示意圖