用于数字重构表征复合材料微观结构的单元体的方法和装置与流程

本发明涉及数字模拟的通用领域。

更特别地，它涉及一种数字重构复合材料微观结构的表征单元体(或RVE)的方法，诸如例如一种具有由随机缠绕在一起并用热固性或热塑性树脂预浸渍的(如玻璃、碳等)纤维“芯片”制造的不连续长纤维(也称为不连续纤维复合材料(DFC))的复合材料，也称为“基质”。

这种复合材料特别地适于制造复杂形状的零件(如包括肋或突出部)，诸如特别地在航空工业或在许多其它机械工程行业中使用的。这种零件以已知方式由预制件制成，然后组装在它们受到热压缩循环的模具中，所述预制件从由缠绕的纤维芯片组成的一片材料裁剪而成。芯片也可在热压缩之前插入模具中。

这种复合材料的性能直接取决于纤维芯片的缠绕，并受到由于复合材料微观结构(或“几何形状”)的随机性质以芯片比例高度可变性的影响。

为了考虑复合材料微观结构对该零件行为的影响(其可在零件的点与点之间变化)，当前在行业中使用各种多尺度分析方法以预测在零件任意点的机械性能作为复合材料成分的特征的函数，以及作为其局部布置的函数。这种多尺度分析方法可以基于该材料微观结构的表征体积单元RVE的平均响应评估宏观均匀性质，即基于统计上表征(即模拟)复合材料的微观结构的几何实体。

这种方法也被称为“均质化”方法。它们与常规的仿真模型形成对比，其中，提前假设复合材料的行为(通过测试识别调节宏观行为的定律)。

在现有技术中，存在几种可以从微观水平到宏观水平的均质化方法。P.Kanouté等的文献“复合材料的多尺度方法”(“Multiscale method for composite”)，Arch.Comput.Methods Eng.，2009，16，第31-75页，特别地提出了一种使用有限元并且具有如图1所提出的其主要步骤的数字方法。

在该方法中，复合材料的微观结构的表征单元体RVE最初由微观结构的特征数据重构(步骤E10)，例如从通过显微镜或通过断层成像获取的三维(3D)图像提取的，或从用于生成结构的预限定数学模型提取的。

以这种方式重构的体积然后使用常规的有限元方法离散(步骤E20)，在该过程中该体积被细分为有限元的网格。

其后，所产生的网格体积受到各种预限定的载荷情况(如，剪切、牵引等)(步骤E30)并且评估了对这种载荷的其平均响应，如通过实施有限元计算(步骤E40)。从该响应推导复合材料零件的均质性质(步骤E50)。

该方法的主要困难之一在于RVE数字重构步骤E10和离散步骤E20，特别地对于诸如由预浸渍纤维芯片的随机缠绕制成并且具有高纤维体积填充比的DFC(基于不连续的长纤维)的复合材料。这些步骤基于复合材料的加强纤维元件的形状、几何结构和位置的先验知识，然后基于它们如何填充符合该形状、几何结构和这些位置的预定体积。

在该现有技术中，存在数字重构复合材料的RVE的几种方法。

第一种方法依赖于以单元体随机绘制多个刚性(即，非变形)几何形状以模拟该复合材料的缠绕增强纤维元件。每次绘制一个新的纤维元件，它不允许碰撞也不穿透已被定位在该体积中的纤维元件，并且某一最小距离施加在邻近的纤维元件之间。尽管可快速地实施该第一方法，然而可能理解的是，所产生的纤维体积填充比非常小；通常不超过40％，其不表征在所考虑复合材料中的真实情况。

为了减轻该缺点，一种解决方案包括进行等效几何形状但尺寸逐渐减少的额外绘制。与先前解决方案结合的该解决方案可获得约80％的填充比。然而，这种技术对于某些复合材料是不合适的，并且特别地对于具有长的不连续纤维的复合材料不合适，其中增强纤维芯片彼此具有相似尺寸。

R.Luchoo等在2011年的第18届复合材料国际会议，第356-362页，标题为“不连续纤维复合材料体系结构的三维数值模拟”(“Three-dimensional numerical modeling of discontinuous fiber composite architectures”,18^th International Conference on Composite Materials)的文献中提出了更特别地用于DFC材料的第二种方法。该第二种方法依赖于通过使用在对应于区域的二维中柔性的芯片模拟芯片的缠绕。芯片形状由一组主导节点控制。从而通过直接在主导节点上的吸引/排斥算法产生穿透，以获得最佳解决方案。芯片的表面然后嵌入在单元体的网格中。因此不严格地管理单元体内的芯片之间的渗透和间距。

该第二方法从而远离实际情况，并且不直接用于预测涉及在芯片表面的层间应力的故障，由于该方法不能评估它们。

第三种方法在Y.Pan等，2008年《复合科技68》第2792到2798页标题为“随机短切纤维复合材料RVE及其弹性的数值生成”(“Numerical generation of a random chopped fiber composite RVE and its elastic properties”,Composite Science and Technology 68)的文献中描述。

该第三种方法依赖于以堆垛填充树脂单元体的合适椭圆柱(即，股)的形式随机地绘制相同尺寸的纤维元件。在该第三种方法中，当在新纤维元件和已经在该单元体中的适当位置的纤维元件之间检测到交叉时，该新纤维元件变形，并且更确切地它变形成单一“U型和方-角弯曲”(或“矩形弯曲”)(即，其两端在对称方向倾斜地弯曲)，从而考虑已经在适当位置的元素的存在。Pan等因此考虑了两类纤维元件用于填充该单元体，即直纤维元件和弯曲纤维元件，其中弯曲元件并不表征真实情况。

纤维元件的倾斜最初在纤维元件的纵向平面中以二维(2D)模拟，如图2图解地示出。在该图中，标记A和B指定由位于由元件B占据的纤维层FL-INF中的交叉点IB所表征的两个最初的直纤维元件。在所使用的二维模拟中，点IB垂直地平移到位于更高纤维层FL-SUP水平的点IA。纤维层FL-INF和FL-SUP由树脂层ML分离。两个额外点S1和S2，以及分别S1'和S2'，在纤维层FL-SUP和FL-INF中添加到点IA的两侧，以模拟纤维元件A的倾斜。纤维元件的椭圆区段保持不变。点S1、S2和S1'、S2'也被选择以保证该体积内纤维元件之间的某一最小间距。然后通过绕其纵轴线扫描该空间以三维(3D)重构该倾斜的纤维元件A。

为了便于使用第三种方法重构的表征单元体(RVE)的离散，并且更通常地为了方便实施它，在堆垛的纤维元件之间考虑了大量的空间，从而限制了可使用该方法被获得用于RVE的填充比。

因此需要一种数字地重构复合材料的表征单元体的方法，该方法导致高填充比，并且可适用于各类复合材料，特别地适用于DFC材料。

发明目的和内容

本发明特别地用于满足该需求，并且它提出了一种重构复合材料的表征单元体的方法，该方法重建纤维芯片的随机缠绕，同时确保高填充比(通常大于90％)，并可以通过数字均质化预测材料的机械性能。

本发明因此以优选但非限制的方式施加到DFC材料。然而，其可适用于其它类型的复合材料，诸如例如使用聚酯树脂获得的块状模塑料(BMC)材料或片状模塑料(SMC)材料，通过切割通常用于汽车和电子工业的玻璃纤维增强所述聚酯树脂。

更确切地，本发明提供了一种数字地重构复合材料的微观结构的表征单元体的方法，该方法包括：

·限定单元体的限定步骤；以及

·用模拟复合材料的纤维元件的多个数字元件填充所限定单元体的填充步骤，每个数字元件沿主轴线纵向地延伸，所述填充步骤包括：

·将每个数字元件与在三维空间的确定平面中位置关联以及与在该平面中其主轴线的定向关联的关联步骤；以及

·将每个数字元件以与其相关联的位置和定向一致的方式连续地定位在单元体中的定位步骤，该定位步骤包括将该数字元件与该单元体的至少一个壁和/或至少一个先前定位的数字元件接触，并且将该数字元件几何地适用于所述至少一个壁和/或适用于与其所接触的所述至少一个先前定位的数字元件；

用于填充单元体的数字元件的至少一部分在几何适应过程中受到变形，而不是使其纵轴线相对于该数字元件的主轴线倾斜。

相应地，本发明还提供一种数字地重构复合材料微观结构的表征单元体的装置，所述装置包括：

·限定单元体的限定模块；以及

·适于用模拟复合材料的纤维元件的多个数字元件填充所限定单元体的填充模块，每个数字元件沿主轴线纵向地延伸，所述填充模块用于：

·将每个数字元件与在三维空间的确定平面中位置关联以及与在该平面中其主轴线的定向关联；以及

·将每个数字元件以与与其相关联的位置和定向一致的方式连续地定位在单元体中，所述填充模块适于在该定位过程中将该数字元件与该单元体的至少一个壁和/或至少一个先前定位的数字元件接触，并且适于将该数字元件几何地适用于所述至少一个壁和/或适用于与其所接触的所述至少一个先前定位的数字元件；

用于填充该单元体的至少一部分数字元件在几何适应过程中受到变形，而不是使其纵轴线相对于该数字元件的主轴线倾斜。

术语“几何适应”在本发明的含义中用于表示所讨论的数字元件的形状在适当地方修改，以将所考虑的数字元件适用于所述至少一个壁和/或与其接触的所述至少一个先前定位的数字元件的图案。

换句话说，在单元体中定位每个数字元件的步骤中，该数字元件的形状适应于几何地考虑该数字元件和该先前定位的数字元件和/或该单元体的壁之间的接触。特别地，该数字元件的形状适应于接触该数字元件的全部或部分的已被定位的元件以及和位于其下部的已被定位的元件，和/或该单元体的底壁(即，在其上定位有元件的单元体底部的壁)。

本发明所提出的重构方法因此包括用预定形状(如长方体形状的芯片)的纤维元件逐步地填充体积，所述纤维元件彼此接触并且不是刚性的，相反具有“自然地”和实际地适应于已经在适当位置的纤维元件堆垛的能力。有利地，纤维元件的该接触和几何适应在限制在被定位在体积中的纤维元件之间存在的间隙方面是有效的。为此，本发明不限于使纤维元件在垂直于这些元件的纵轴线的区段中变形，如现有技术(换句话说，以与其正交的单一方向使纤维元件的纵轴线倾斜)，也可进行其他的变形，诸如例如在某些部分上转动纤维元件的主轴线，等。在可以设想的变形类型上不先验地施加限制。特别地，与现有技术不同，数字元件的区段可自由地改变形状。因此可以达到接近100％的纤维体积填充比。

通过该方法，因此可以创建表征不同复合材料结构的单元体，特别地具有高纤维体积填充比的DFC结构。这些RVE可使用有限元计算以常规方式相关联，从而评估以这种方式模拟的微观结构对多种类型的机械载荷(剪切、牵引等)的响应。本发明因此提供了一种很容易评估复合材料的真实微观结构和当加载这种微观结构时测量的机械性能之间关系的工具。

也更容易分析在零件和/或在测试工件上观察到的机械性能变化的原因，特别地规模效应，如通过考虑和比较与如本发明所重构的相同复合材料的多个表征单元体。

应该注意到的是，本发明并不限于纤维元件的特定形状，如，诸如长方体形状的芯片。因此，本发明还提供了一种用于通过很容易评估纤维元件的不同形状、尺寸和类型优化复合材料的制造的工具。

在一种特定的实施方式中，所述重构方法包括使该单元体和每个数字元件以均匀方式离散成为多个体素的离散步骤。

因此，本发明同时用于重构和离散该RVE。

优选地在填充所限定的单元体之前实施该离散步骤。因此，通过单独地处理该数字元件的每个体素(如，彼此独立地处理体素)，一种数字元件可方便地接触并几何地适应，从而使这些操作更容易实施。具体地，这避免了任何求助于复杂几何考虑，所述复杂几何考虑用于使数字元件的形状适应于该壁的图案或先前被定位在单元体中的数字元件的图案，同时可以最小化元件之间的空隙。可逐个体素地实施几何适应，从而对于每个数字元件提供广泛范围的潜在变形，幸好可以数字地模拟，否则该变形将很难。

在一种变型中，该RVE可在已被重构后离散，例如通过将其细分成有限元，这对于本领域技术人员来说的众所周知的。

在一个特定的实施方式中，该几何适应包括将该数字元件的体素的至少两个子集定位在彼此相对地垂直偏移的三维空间中的平面内。

三维空间中的这些平面优选地平行于在关联步骤中正考虑的该空间的确定平面，该确定平面可以被选择以平行于其上定位有数字元件的单元体的底壁。这些平面可通过一个或多个体素分离，以适应于数字元件堆垛的各种结构。此外，可以设想在三维空间中的两个以上不同的平面中定位体素的子集，以使该数字元件适应于由多个数字元件组成的图案。

例如，三维空间中的第一平面，其中所考虑的数字元件的体素的第一子集被定位的平面，是一种位于已被定位的数字元件的体素以上的平面，其上所讨论的数字元件已经接触，并且该数字元件的体素的第二子集被定位在存在空体素的三维空间中的第二平面中，换句话说，没有被已被定位的数字元件或被该单元体的壁所占据的体素，因此可以对一部分数字元件的变形进行更真实模拟(在它们已经彼此接触地定位后，数字元件彼此保持不同)。例如，所述子集的至少一个体素可接触一种已被定位的数字元件的体素或接触该单元体的壁。

根据受到变形的数字元件的部分的长度以及作为已被定位元件和/或该单元体的壁，可以设想将数字元件的多个体素定位在从第一平面垂直地偏移(特别地位于第一平面下)的多个平面中，或相反将数字元件的多个体素定位在单一平面中。

为了在定位有体素的所述子集的三维空间中识别至少一个平面，该方法优选地包括验证在该平面中存在至少一个体素的步骤，所述该平面与所述子集的体素垂直地对齐，并且不被先前定位的数字元件的体素所占据或不被单元体的壁所占据。

在一种特定的实施方式中，该方法进一步包括在体素的两个子集之间插入至少一个连接体素的插入步骤。

插入该连接体素可以保持纤维元件的连续性，尽管其受到变形(即，由于其变形，不存在纤维元件的断裂)。由于纤维元件缠绕，通过表征出现在材料中的多种力“路径”，这可以获得复合材料微观结构的更真实的表征单元体。

然而，人工地插入一个或多个连接体素增加了所考虑的纤维元件的长度，这可对RVE对其受到的多种载荷的响应具有影响。因此，在一个特定的实施方式中，如果在三维空间中的平面碰巧垂直地偏移大于预定数量的多个体素，该数字元件从该单元体消除，换句话说，不考虑该数字元件填充单元体。

应该注意到的是，可通过消除该数字元件导致间隙，并且随后没有绘制的数字元件可填充该间隙。当加载RVE时，该间隙将与树脂关联。

此外，该实施方式可以间接地控制平面外纤维的内容(而在关联步骤中，其为控制了多种数字元件的平面中的角度)。

在本发明的另一实施方式中，该方法进一步包括用于平滑至少一个数字元件的表面的平滑步骤，所述至少一个数字元件接触单元体中的先前定位的数字元件并且具有在几何适应过程中已受到变形的至少一部分，在变形中实施所述平滑。

例如，当该数字元件离散成多个体素时，所述平滑包括截取已受到变形的所述至少一个部分(或与一个或多个连接体素一起的部分)的至少一个体素，该体素在其对角平面上截取。

通过更接近变形后纤维元件的真实形状，并且通过限制由平面外纤维所导致的应力集中，该截取步骤可以获得一种更接近微观结构的物理真实情况的模型。

在另一实施方式中，该方法进一步包括后处理该单元体的步骤，该步骤包括在单元体中的至少两个接触数字元件之间插入预定尺寸的界面元件。

这些界面元件优选地具有小厚度。它们可以模拟纤维元件之间结合力损失的现象。

为此，当RVE被加载时，它们被赋予可以模仿复合材料的故障(如果有的话)的特定性质，如在平面中剪切的作用下。这些特定性质可接近树脂的性质，并且它们可被适应以对RVE的响应的评估尽可能接近任何真实样本的响应。这些特定性质优选地各向同性。

在一个特定的实施方式中，在关联步骤中与数字元件相关联的位置被选择具有均匀的空间分布，当根据先前定位的数字元件的空间分布检测预定事件时该均匀分布被调节。

例如，可触发调节与数字元件相关联位置的分布的事件可能正在检测，位于三维空间的相同限制分段中的多个位置已经连续地归属于不同的数字元件。这种归属可导致在用与这那些位置相关的数字元件填充单元体时出现困难(存在间隙，在几何适应后在给定数字元件的体素子集之间的垂直间距大于预定阈值，等)。

调节分布可以返回到以下情况：该情况接近于当制造复合材料时物理地发生了什么，并且因此接近于材料内的纤维元件的缠绕情况。

在一种变型中，可以想象不同于均匀分布的三维分布，以分配优选定向到数字元件。

在一种特定的实施方式，由计算机程序指令确定该重构方法的多种步骤。

因此，本发明还提供了一种数据介质上的计算机程序，所述程序适用于在重构装置或更通常地在计算机中实施，所述程序包括适应于实施如上所述的重构方法的步骤的指令。

所述程序可使用任何编程语言，并且它可以是源代码、目标代码，或介于源代码和目标代码之间的代码的形式，诸如以局部编译的形式，或以任何其它需要的形式。

本发明还提供了一种计算机可读数据介质，其包括如上所述计算机程序的指令。

所述数据介质可以是能够存储程序的任何实体或装置。例如，该介质可包括存储设备，诸如只读存储器(ROM)、如光盘(CD)ROM，或微型电子电路ROM，或实际上磁记录设备，诸如软盘或硬盘。

此外，数据介质可以是传播介质，诸如适用于经由电缆或光缆、通过无线电或通过其它方式传送的电子信号或光学信号。本发明的程序可特别地从互联网类型的网络下载。

替代地，该数据介质可以是其中结合有程序的集成电路，该电路适应于执行或在所讨论方法的执行中使用。

附图说明

从参照附图进行的以下描述，本发明的其它特征和优点显而易见，附图示出了一种不具有限制特征的实施方式。在附图中：

·图1，如上所述，是现有技术均质化方法的流程图；

·图2，如上所述，是示出用于重构复合材料的表征单元体的现有技术方法的图表；

·图3示出了根据本发明的一个特定实施方式的一种用于重构复合材料微观结构的表征单元体的装置；

·图4是示出图3重构装置的硬件架构的图表；

·图5是示出如图3重构装置所实施的本发明的重构方法的各个步骤的流程图；

·图6A到6D示出了根据本发明如何定位数字元件的示例；

·图7示出了在单元体中由重构装置定位之前，在空间的X、Y平面中的数字元件；以及

·图8A到8C示出了在该重构方法中数字元件如何几何地适应的示例。

具体实施方式

图3在其环境中示出了根据本发明的特定实施方式的一种用于重构复合材料微观结构的表征单元体(RVE)2的装置1。以已知方式，复合材料的表征单元体是统计上表征复合材料的微观结构的几何实体，即其模拟微观结构。

在当前描述的示例中，考虑了DFC类型的复合材料3，换句话说具有由纤维芯片制成的不连续长纤维，所述纤维芯片随机地缠绕并且预先浸渍有热固性树脂(基质)。例如，该芯片是浸渍有碳树脂的玻璃纤维或碳纤维的芯片，并且它们基本为长方体形状。

然而，本发明自然地适用于由预浸渍有树脂的纤维元件组成的其它复合材料。

如上所述，数字地重构复合材料3的表征单元体是有利的，只要可以使用如上参照图1所述的数字均质化方法，出于评估在材料任何点的机械和弹性性质的目的以及出于由此推导其性能的目的。这种性能直接地取决于在材料的制造过程中纤维芯片的缠绕。

在当前描述的实施方式中，重构装置1是一种在图4图解地示出的硬件架构的计算机。

特别地，它包含处理器4，存储器5-7(如ROM和/或硬盘5、随机存取存储器(RAM)6，以及非易失性存储器7)，以及通信设备8。通信设备8特别地包括使用户或操作者能够与重构装置1交互的输入/输出设备(如鼠标、键盘、屏幕等)，例如为了指定某些参数。这些设备还包括一个或多个通信接口(如，通用串行总线(USB)端口、网卡等)。

ROM和/或硬盘5构成数据介质，该数据介质由重构装置1的处理器4可读并且存储根据本发明的计算机程序，该计算机程序包括用于重构本发明的复合材料3微观结构的RVE的本发明方法的执行步骤的指令，以下参照图5描述了在一个特定的实施方式中的方法的步骤。

以等效方式，该计算机程序限定了重构装置1的功能模块(特别地软件模块)，诸如用于限定单元体的模块1A和用于填充单元体以重构RVE 2的模块1B。参照以下描述的重构方法的步骤详细地描述了这两个模块的功能。

图5示出了本发明的一个特定的实施方式中的重构方法的主要步骤，其中所述主要步骤由如图1所示的重构装置1实施，并且导致复合材料3的表征单元体2被重构。

在以下的描述中，为了更好地示出本发明，考虑了一种写作(X、Y、Z)的三维参考系。

一种用于模拟复合材料微观结构的单元体V最初由重构装置1的限定模块1A所限定(步骤F10)。例如，该单元体V从经由重构装置1的输入/输出设备8由用户或操作者供给的信息所限定，例如，通过用户从一组预限定的单元体(如立方体、长方体、圆柱体或更复杂的其它形状)中进行选择。

该限定步骤F10不仅包括选择单元体V的形状，也包括限定其尺寸。出于简化目的，本文假设的是，单元体V是长方体，该长方体的顶壁和底壁被选择以平行于X、Y平面。

在一种变型中，可以选择一种不是平行六面体的单元体，诸如球体的一部分、圆柱体的一部分，或楔形件的一部分。X、Y平面也可以特定方式根据体积表面被选择以对特定定向赋予优先权。例如，可能有利的是评估楔形件，所述楔形件的X、Y平面沿由楔形件的两个主表面形成的V形的二等分线的垂线运行。

该长方体V的尺寸需要在准确性和复杂性之间提供折衷：它们必须足够大以包含大量的纤维元件，从而源于RVE 2的性质确实表征在复合材料3的宏观水平的真实性质，同时导致对于在重构单元体的同时及在加载它的同时所实施的操作和计算可接受的复杂性。

在当前描述的实施方式中，事先通过实验确定满足这种折衷的单元体V的尺寸，并且它们被存储在重构装置1的存储器中(如，在非易失性存储器7中)，用于由限定模块1A在限定单元体V的步骤F10中使用。

在一种变型中，这些尺寸可由用户经由通信设备8供给到限定模块1A。

在当前描述的实施方式中，然后以均匀方式以多个体素的形式离散该单元体V，从而产生体素的“网格”。这种网格在图6A(1)中以两个维度示出在X、Z平面中。可预定用于离散该单元体V的分辨率(即体素的尺寸)或者它可由限定模块1A的用户经由重构装置1的通信设备8供给。

根据本发明，以这种方式由限定模块1A限定的单元体V填充有模拟复合材料3的纤维芯片的多个数字元件C1、C2、…、CN，其中N为大于1的整数。为了更容易理解本发明，这些数字元件可互换地被称为“芯片”或“数字元件”。

以这种方式选择数字元件C1、…、CN，从而接近用于制造复合材料3的纤维芯片的形状。在当前描述的示例中，如图7在X、Y平面中所示，它们为离散成多个体素的长方体。数字元件Ci的每个表面都由整数个与单元体V的体素相同尺寸的体素VOX组成，从而很容易地结合在由单元体V的离散所导致的网格中。每个数字元件Ci，i＝1、…，N沿“主”纵轴线Δi延伸。该轴线被选择以平行于单元体V的底壁，换句话说，X、Y平面。

在用数字元件C1、…、CN填充单元体V之前，限定模块1A进行初始化用于填充单元体V的各种参数(步骤F20)。

在该示例中，该初始化特别地包括限定和/或选择模拟纤维芯片的每个数字元件Ci的尺寸，i＝1、…、N，，即其长度、其宽度及其厚度。在该示例中，这些尺寸被选择为对于所有的数字元件相同。例如，需要假设的是，模拟芯片的每个数字元件具有一个体素的厚度，以及预定的长度和宽度。

在一种变型中，通过使用通信设备8，用户可选择用于填充单元体V的数字元件的宽度和/或长度和/或厚度，和/或可指定对于不同的数字元件不同的尺寸。

根据本发明，通过堆垛模拟复合材料3的纤维芯片的多个数字元件C1、…、CN填充该单元体V。为了模拟纤维芯片在复合材料中缠绕的随机性质，随机地选择这些数字元件在X、Y平面中的位置，以及它们在同一平面中的定向，同时符合给定的分配关系。

因此，初始化步骤F20还包括：

·限定数字元件C1、…、CN的定向张量或以等同方式限定多种数字元件在X、Y平面中的定向的分配关系；以及

·限定数字元件在X、Y平面中的位置的分配关系。在当前描述的示例中，被赋予数字元件在X、Y平面中的位置以在如下平面上限定的均匀分配随机地绘制，所述平面表征单元体V的顶壁，在以下的描述中，该平面写作P0。

在初始化步骤后，重构装置1的填充模块1B前进到填充单元体V。

为此，填充模块1B使用上述多个数字元件Ci、i＝1、…、N，所述填充模块1B将所述多个数字元件连续地定位在单元体V中，同时与预定定位约束或规则一致。

更具体地，如图7所示，填充模块1B开始通过将所考虑的每个数字元件Ci，i＝1、…、N，与平面P0中其中心的位置POSi相关联以及与在应用在初始化步骤F20中限定的分布关系时随机地绘制的其主轴线Δi的定向(由向量限定)相关联(步骤F30)。

之后，在考虑已被定位的数字元件同时，数字元件一个接一个连续地定位在单元体V中：换句话说，当填充模块1B定位当前的数字元件Ci时，它考虑了已被定位在单元体中的i-1个数字元件C1、…、Ci-1。

与(即，在)位置POSi一致以及与根据其相关联的定向一致，当前数字元件CI因此被定位在单元体V中(步骤F40)。

在当前描述的实施方式中，该定位包括以预定下降(即，“降低”)步长迭代地垂直“降低”(即，沿Z轴)数字元件Ci到限定单元体V的体素网格。在该示例中，为了更大的准确性，在每次迭代中下降步长选择等于一个体素。

从平面P0中实施该降低，直到当前的数字元件Ci接触单元体V的底壁和/或接触已被定位在单元体V中并位于数字元件Ci的全部或部分以下的一个或多个数字元件Cj，j＝1、…、i-1。在当前描述的实施方式中，在该降低中，数字元件的体素通过填充模块1B逐个地(即，彼此独立地)分别处理，以促进将数字元件定位在单元体V中。

在该降低中，当填充模块1B检测到当前数字元件Ci与单元体V的底壁交叉和/或与先前定位在单元体V中的一个或多个数字元件交叉，其根据本发明被构造成几何地适应当前数字元件Ci的形状以匹配与其接触的物品(壁或数字元件)的图案，为了填充单元体V中的可用空间(步骤F50)。换句话说，当前数字元件Ci几何地适应于与先前定位元件或与单元体V的壁存在的接触。

该几何适应性以这种方式实施，使得最小化在变形后的当前数字元件Ci和与其接触的物品之间的空隙。在该示例中，填充模块1B逐个体素地做到这一点，从而很容易实施在当前数字元件Ci上的各类几何变形，从而使其准确地适应于已经在单元体V中适当位置中物品的图案。

更准确地，当处理当前数字元件Ci的体素VOX时，填充模块1B确定其是否可垂直地降低该体素通过一个等于下降步长的水平，换句话说，将被由于降低的体素所占据的位置是否可获得，以及是否不被已被定位的数字元件Cj的体素或单元体V的底壁已经占据。

在当前描述的实施方式中，如果数字元件具有与单元体V的侧壁接触(并且穿过它)的部分，其被切断，换句话说，不考虑对应于该部分的体素。

如果填充模块1B检测到单元体V底壁的存在或检测到某一其它数字元件Cj的体素在该位置的存在，体素VOX保持在其之前的水平，换句话说，其被保持在由数字元件Cj占据的体素以上并接触数字元件Cj的该体素。

否则，体素VOX降低一个体素。

对于该数字元件Ci的每个体素，通过填充模块1B实施该操作。

图6A到6D是示出多种数字元件C1到C4如何被定位和几何适应的X、Z平面中的二维图表。

图6A(1)到6A(4)示出了在数字元件C1的降低过程中以不同的迭代第一数字元件C1在单元体V中的定位。如图6A(1)所示的单元体V不包含任何其它先前定位的数字元件，因此数字元件C1接触单元体V的底壁，如图6A(4)所示。换句话说，在这种情况下，几何适应包括保持数字元件C1不变(不存在元件的几何变形)。

图6B(1)到6B(3)示出了在数字元件C2的降低过程中以不同的迭代第二数字元件C2在单元体V中的定位。如图6B(1)所示的单元体V已经包含先前定位的数字元件C1。

虽然已被降低，元件C2接触如图6B(3)所示的单元体V的一部分底壁并且也接触一部分数字元件C1。在接触的同时，元件C2的几何形状被适应于壁的几何图案以及被适应于与C2接触的数字元件C1的部分的几何图案。

图8更精确地示出了如何在本文所述的特定实施方式中实施该适应。

由于当前描述的逐个体素地处理，在图8中赋予标记C2-1和C2-2的不同体素的两个子集在单元体V的网格中被定位在不同水平，换句话说在彼此相对垂直地偏移的三维空间的平面中，在该示例特定地通过一个体素(然而，该数量取决于已被定位的数字元件的构造)。在两个水平上的定位对应于数字元件的几何变形并且它在离散条件下表征纤维芯片的变形，从而适应其它纤维芯片的存在，正如在该材料的制造中发生的。

然而，应该注意到的是，在图8A所示的状态中，在两个子集C2-1和C2-2之间不连续。该不连续并不对应于在复合材料3纤维元件的缠绕中的任何真实物理现象。因此，在当前描述的实施方式中，为了确保数字元件C2在变形后的连续性，连接体素C2-3插入在这两个子集之间，如图8B所示。

在一种变型中，如果这两个子集C2-1和C2-2垂直地偏移一个以上的体素，可插入多个连接体素C2-3以将这两个子集连接在一起。

插入一个或多个连接体素人为地增加了数字元件C2的长度。该增加可对响应某些负载的RVE的机械行为具有影响，如果该增加与元件的长度相比不是微不足道。

为了限制该影响，在当前描述的实施方式中，在几何适应数字元件C2后，填充模块1B确定该适应是否符合涉及增加数字元件C2长度的预定标准(步骤F60)。

如果该适应不符合该标准(对测试步骤F60响应“否”)，然后填充模块1B消除了数字元件C2，换句话说该元件并不导致填充单元体V(步骤F70)。

该标准可具有多种形式。在图8所示的示例中，它可特别地包括确定包含两个体素子集C2-1和C2-2的三维空间中的平面是否垂直地偏移大于预定数量的某一数量的体素，在适用的情况下，消除了数字元件C2。例如，该预定数量可被选择为等于1。

在一种变型中，它可取决于变形前数字元件C2的初始长度。

当然，可以设想其它标准，诸如例如比较元件C2在变形前后的长度，等等。

应该注意到的是，添加步骤F60以及几何适应的遵从性标准对复合材料3的平面外性质提供了杠杆(换句话说，在该示例中，对出现在不同于X、Y平面的平面中的材料的性质)，即使没有通过假设绘制由本发明的重构方法使用的数字元件(即，在X、Y平面中绘制位置和定向)而明确地指定。通过这步骤，本发明的重构方法还控制在平面外堆垛的纤维元件(即数字元件)的比。

如果在步骤F50实施的几何适应符合该标准(对测试步骤F60响应“是”)，在当前描述的实施方式中的填充模块1B实施一种在适应后平滑数字元件C2的表面的可选步骤F80。该平滑步骤旨在少量修改数字元件C2的变形后的表面，从而使其更接近组成复合材料3的纤维元件的物理真实情况。在适用情况下，其在数字元件C2所受到的变形的过程中实施。

更准确地，在图8所示的示例中，由于离散，数字元件C2在其已经变形后存在“拐角”(在图8B中通过箭头标记)，该拐角不表征复合材料3的纤维元件的真实变形。为了减轻这种不准确性，通过填充模块1B在数字元件C2已受到的变形处平滑数字元件C2的表面，即在插入在子集C2-1和C2-2之间并形成已受到变形的数字元件C2的一部分的连接体素C2-3。

通过在该体素的对角平面上截取连接体素C2-3实施该平滑，如在图8C中以二维图图解地示出。该截取导致截取的体素C2-3T。

图6C(1)到6C(3)以及6D(1)到6D(3)分别示出了在考虑已被定位的数字元件同时，通过在单元体V中的两个其它数字元件C3和C4的填充模块1B的定位。

因此，参照图6C(3)，数字元件C3的形状被几何适应于数字元件C1和C2的图案以及适应于单元体V的底壁，数字元件C3的多个部分受到变形。

参照图6D(3)，数字元件C3的形状被仅仅几何适应于数字元件C2的图案，以及适应于单元体V的底壁的存在。

图6D(3)示出了，根据本发明通过填充模块1B填充的单元体V减少了最小化数字元件之间的空隙。

具体地，从以上很容易理解的是，与现有技术不同，在数字元件Ci几何适应于使一部分该元件的纵轴线相对于其主轴线Δi倾斜的过程中，本发明不受限制。对于某些数字元件可以设想其它几何变形，从而最小化在数字元件之间存在的空隙。没有限制先验地与可以设想的变形类型相关联。

对于多个N的数字元件，通过填充模块1B执行步骤F30到F80(步骤F90验证了该方法的停止标准)。

数字N可以是预定整数。

在一种变型中，它可能取决于满足用于填充单元体V的标准。

在又一变型中，当它检测到不再设法在单元体中定位数字元件和/或设法使它们的形状适应已被定位的数字元件时填充模块1B停止填充单元体V。

在当前描述的实施方式中，需要假设的是，在步骤F30中，数字元件C1、…、CN的位置均匀地分布在平面P0中。基于该假设，有可能的是，连续地通过填充模块1B考虑的多个数字元件与位于平面P0的相同区域中的位置相关联，因此填充模块1B很难在单元体V的底部定位这些数字元件(或在根据这种现象发生的地方的某一其它区域中)，因此在数字元件之间留下许多空隙。

为了缓解该问题，一旦检测到这种情况已经发生(本发明含义的预定事件)，可重新评估用于确定数字元件位置的空间分布关系，从而考虑在已被定位的数字元件的平面P0中的位置，换句话说，它们在平面P0中的空间分布。

在当前描述的实施方式中，在已经填充了单元体后，填充模块1B在已填充的单元体V上实施后处理步骤(步骤F100)。

该后处理步骤包括在已被定位并接触单元体V的多种数字元件之间插入界面元件，该界面元件具有表征在构成复合材料3的纤维芯片之间存在结合元件(树脂)的预定厚度。在加载RVE(参见图1的步骤E30)的同时，这些界面元件可仿真在可以出现的复合材料纤维元件之间的结合力损失，特别地在X、Y平面中的剪切作用下。更准确地，界面元件可以模拟基质以及纤维之间的相互作用。应该注意到的是，理论上可以设想具有零厚度的这些界面元件。然而，这具有产生在有限元模拟中计算假象的风险。因此，通过填充模块1B在数字元件之间的接触区域中增加的界面元件的厚度优选地被选择为很小，以符合复合材料3的高纤维填充比，同时还避免了这种假象。例如，该厚度可被选择为小于体素平均尺寸的1％。

优选地，最初适应体素化的结构以考虑这些界面元件。

在该后处理步骤结束时，以这种方式获得的单元体V构成复合材料3的微观结构的表征单元体2(步骤F110)。由于本发明，它可具有98％到99％数量级的纤维元件的高填充比。

此外，它已经有利地离散，如上所述，它可能受到各种预限定的载荷情况(如剪切、牵引等)，从而基于其对这些载荷的响应评估复合材料3的均质性质(参见以上参照图1所述的步骤E30到E50)。

为此，并且以已知方式，多种弹性性质归因于被定位在单元体中的数字元件C1、…、CN的体素(复合材料3的纤维元件的已知性质)，以及归因于在后处理步骤F100中添加的界面元件，并且也归因于存在于数字元件之间的空隙(接近树脂性质的各向同性性质，并且适应，因此对RVE响应的评估尽可能接近真实示例的响应)。

在另一实施方式中，数字元件C1、…，CN和单元体V仅在填充单元体后被离散，例如使用有限元方法。在该实施方式中，通过使用本领域技术人员已知的欧几里德几何学的考虑实施几何适应。

如以上所提到的，本发明在重构DFC复合材料的微观结构的表征单元体方面具有优选应用。然而，这并不限于这类复合材料，并且可很容易地用于其它复合材料，诸如例如BMC或SMC类型的复合材料。