基于含能材料近似球型填充最大化的位移矢量填充方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料学，计算机科学领域，具体涉及一种在含能材料压缩领域解决大 小不等且位置随机的球型颗粒填充时分散，间隙过大，造成压缩舱体填充率低的问题的方 法，
【背景技术】
[0002] 含能材料即含能化合物，简称能材，意为高能量密度的物质（HEDM);其表征为该 类物质多具有爆炸性、爆燃性或其他经过特定激发条件会高速率高输出释放大量能量的物 质。含能材料力学性能主要是指其在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷 (拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。含能材料其性质受到 材料内部组成，如物质形状、体积比例等多种因素影响，材料配方的改变对总体力学性能的 影响很大；同时该物质具有爆炸性质，因此对含能材料进行制备实验研究的成本和风险都 很高。
[0003] 近几年来，含能材料力学性能的数值模拟已受到越来越多的关注，由于材料颗粒 成形过程的复杂性，阐明其成形机理十分困难，特别是如何模拟材料颗粒分布，对实验过 程和结果数据尤为重要。本模拟采用美国犹他大学C-SAFE(Center for the Simulation of Accidental Fires and Explosions)石开究中心开发了 UCF (Uintah Computational Framework)大规模并行可视化数值模拟工具Uintah和Visit软件。
[0004] 从研究情况来看，如何建立球型颗粒细观结构模型是材料颗粒压缩过程中的关键 问题之一。国外学者Baer m等运用分子动力学的建模方法，建立了相同尺寸且位置随机分 布的三维炸药颗粒细观结构模型，国内刘群[2]将炸药颗粒近似成二维圆形，且按规则六边 形排布。以上学者的理想建模均对实验数据有一定影响。
[0005] 简单的对球型含能材料随机排布会造成颗粒间空隙较大，填充率低，与真实装药 过程相差甚远。
[0006] 如果能在放置过程中，合理控制球型颗粒产生的距离从而减小空隙，势必会增加 颗粒的填充数量，颗粒间排布更为紧密；即使控制颗粒间放置的距离，颗粒间的间隙依然存 在，若再能通过一定方法，将压缩舱体"摇晃"，使颗粒间间隙更小，同时腾出一定的空间，便 可继续放置，使填充率达到最高。
[0007] 通过对现有国内资料的分析，发现目前还缺少通过控制随机放置过程，干预颗粒 产生的距离和放置完毕后使压缩舱体"摇晃"从而再次尝试放置的方法。本发明正是通过分 析现实填充时所产生的间隙，提出一种简单的有效地解决球型颗粒填充率低问题的算法。 参考文献
[0008] [1]Baer M R. Modeling heterogeneous energetic materials at the Mesoscale[J]. Thermochimica acta, 2002, 384:351-367.
[0009] [2]刘群，陈朗，鲁建英，等.炸药颗粒压制成型数值模拟[J].高压物理学报 2009,23 (6).DOI:10. 3969/j. issn. 1000-5773. 2009.
【发明内容】
[0010] 针对现有技术的不足，提出了一种增加填充率，提高模拟数据的真实性的基于含 能材料近似球型填充最大化的位移矢量填充方法。本发明的技术方案如下：一种基于含能 材料近似球型填充最大化的位移矢量填充方法，其包括以下步骤：
[0011] 101、将球型颗粒按半径从大到小随机放入压缩舱体中，完成球型颗粒放置阶段 后，进入调整阶段；
[0012] 102、调整阶段分为三个过程，建立X y z坐标系，其中X轴、y轴为X y平面上的 横轴或纵轴，即球型颗粒按X轴坐标从小到大依次向X轴负方向移动、再以y轴坐标从小到 大依次向y轴负方向移动、最后以z轴坐标从小到大依次向z轴负方向移动；过程一：以X 轴坐标将舱体中所有球型颗粒以X轴坐标0点为原点，按X轴坐标从小到大依次向X轴负 方向移动，
[0013] 103、过程二：再以y轴坐标0点为原点，按y轴坐标从小到大依次向y轴负方向移 动；
[0014] 104、过程三：最后以z轴坐标0点为原点，按z轴坐标从小到大依次向z轴负方向 移动，满足移动之后不与任意球型颗粒相交。
[0015] 进一步的，步骤101中的球型颗粒放置阶段具体为：
[0016] 设球型颗粒的半径为r2, r3......rn，每放置一个球型颗粒，均与之前所有颗粒
逐次比较，若与任一颗粒相交则放弃本次放置，若与任一颗粒的间隙大于d，同样放弃本次 放置，每放弃一次放置，放置失败次数加1 ;若放置失败次数大于最大尝试次数则减小半径 为& (Km < η)，η表示为η种半径数量,并将尝试次数设0,再次放置，放置成功应满足如下 不等式：
[0017]
[0018] 其中rpl,2表示任意两颗粒半径大小，χρ1, 2表示两颗粒X坐标大小，ypl,2表示两颗粒 y坐标大小，Z pli2表示两颗粒z坐标大小，d表示任意颗粒间最大间隙。
[0019] 进一步的，步骤102中按X轴坐标从小到大依次向X轴负方向移动的步骤具体为： 设压缩舱体中共计η个球型颗粒，第一次移动的距离为Cl1，第n-1次移动的距离改变量为 山，山为尝试移动距离，可根据具体实验需求设定，一般越小越好，移动过程中满足不与任意 颗粒相交即可，移动方式为：A1、第1个颗粒即由离X轴最近的位置移至与X轴相切，距离为 d1;A2、第2个至第η个颗粒，以X轴坐标从小到大依次尝试性移动球型颗粒，移动距离以d i 为基准，若左移之后不与任一颗粒相交则以Cl1为减量继续左移，否则停止移动，且满足移动 之后不与任意球型颗粒相交，完成向X轴负方向移动。
[0020] 进一步的，步骤103中按y轴坐标从小到大依次向y轴负方向移动的步骤具体为： B1、将第1个颗粒移至与y轴相切，距离为d1;B2、第2个至第η个颗粒，以z轴坐标从小到 大依次尝试性移动球型颗粒，移动距离以Cl 1为基准，若前移之后不与任一颗粒相交则以d i 为减量继续下移，否则停止移动，且满足移动之后不与任意球型颗粒相交，完成向y轴负方 向移动。
[0021] 进一步的，步骤104中按z轴坐标从小到大依次向z轴负方向移动方式具体为： CU将离Z轴最近的第1个颗粒移至与Z轴相切，距离为d1;C2、第2个至第η个颗粒，以Z 轴坐标从小到大依次尝试性移动球型颗粒，移动距离以Cl1为基准，若下移之后不与任一颗 粒相交则以山为减量继续下移，否则停止移动，且满足移动之后不与任意球型颗粒相交，完 成向ζ轴负方向移动。
[0022] 本发明的优点及有益效果如下：
[0023] 放置阶段，每生成一个随机颗粒都会紧挨之前生成的颗粒，该阶段避免了因为随 机使得颗粒相隔太远而产生空隙较大的问题，增加颗粒填充数量；
[0024] 调整阶段，经过放置阶段，颗粒间仍有空隙存在。通过颗粒在X轴、y轴上的水平 方向移动，使得颗粒间更为紧凑，减少空隙，再通过ζ轴上的向下移动，进一步减少空隙并 腾出舱体空间，可循环进入放置阶段继续填充颗粒，从而增加填充率。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明优选实施例图1为传统的球型颗粒按照半径从大到小随机放置算法 流程图。
[0026] 图2为本发明提出的经过改进后填充阶段的填充算法流程图。
[0027] 图3为整个算法流程图，包括填充阶段和调整阶段。
[0028] 图4为一般填充示意图