[发明专利]一种基于发泡过程的泡沫细观结构建模方法

说明书

本发明提供一种基于发泡过程的泡沫细观结构建模方法，包括确定泡沫发泡过程、确定孔穴结构特征、生成成核点、孔穴生长和定型以及孔穴结构可视化建模共五个步骤。通过该发明建立的泡沫细观结构模型与真实泡沫相似度高，孔穴特征一致性好。通过本发明建立的模型可以表征泡沫真实孔穴结构的随机性，通过调整参数可以对孔穴位置分布均匀性、孔穴尺寸均匀性以及孔穴数量和孔穴平均尺寸进行调整以获得与实际泡沫孔穴结构相似度很高的模型。这种基于发泡过程的泡沫细观结构建模方法适用于大多数开孔和闭孔泡沫材料，建立的细观结构模型可以较准确地模拟泡沫材料的热、电、声、力等性能。

技术领域

本发明涉及一种泡沫材料细观结构的建模方法，更具体地述说涉及一种基于发泡过程的，更加符合真实孔穴结构的，适用于各种天然和人工泡沫材料的细观结构建模方法，属于多孔材料研究领域。

背景技术

多孔材料的表观性能直接依赖于孔穴的形状和结构，这对泡沫制备工艺的优化以及泡沫选材都有重要意义。因此有必要建立泡沫的细观结构模型，进而研究泡沫材料的力、热、声、电等性能。

目前主要通过三种方式建立泡沫的细观结构：(1)通过几何方法建立的细观结构单胞，这种方法无法体现泡沫细观结构的复杂性和随机性，因而很难准确模拟泡沫的各项性能。(2)使用Voronoi随机模型建立了泡沫的细观结构，该模型将孔棱和孔穴壁面分别处理为多边形和多面体，这种方法难以保证韧带的渐变特性和真实的截面形状，也难以表征兼有开口和闭口孔穴的泡沫。(3)基于自动连续切片技术沿炭泡沫横截面切片，并拍照记录截面信息，然后合成三维结构，这方法可以获得泡沫的精确细观结构，但耗费代价较大，每次只能获得一块很小体积的细观结构，且对于低孔隙率、小尺寸孔穴的泡沫难以精确复现其细观结构。

发明内容

本发明为了解决上述现有不足，提出一种基于发泡过程的泡沫细观结构建模方法，通过给定的孔隙率、孔穴形状和尺寸、韧带形状和尺寸、孔穴位置分布均匀度和孔穴尺寸均匀度等建立与真实泡沫细观结构相似度很高的模型。该建模方法原理简单，没有复杂的理论推导和算法，程序容易编写，建模灵活性大，模型与实际结构相似度高。

本发明技术解决方案是：一种基于发泡过程的泡沫细观结构建模方法，包括以下步骤：

步骤1：确定泡沫材料发泡过程中孔泡的生长规律，所述生长规律包括孔泡分布规律、开始生长的时刻的分布规律、孔泡相对生长速度和孔泡定型过程；

步骤2：确定泡沫的表观特征和孔穴特征，所述泡沫表观特征包括孔隙率、开孔率，所述孔穴特征包括孔穴形状、韧带形状、孔穴尺寸及其标准差、孔穴位置分布均匀度；

步骤3：设置发泡空间中目标发泡区域尺寸，并按照步骤1的开始生长的时刻的孔泡分布规律将设定的目标数量的成核点撒在发泡空间中，并对所撒成核点的均匀度进行调控；所述均匀度控制包括发泡区域分割和撒点以及成核点距离调控；成核点布置完成后，计算并输出每个成核点的坐标和成核点的分布均匀度；

步骤4：为步骤3中的每个成核点赋予随机开始生长时刻，达到开始生长时刻后成核点开始吸收其周围胶质体中析出的气体，孔泡逐渐长大；孔泡生长过程中计算发泡区域的孔隙率，当孔隙率接近目标孔隙率时减小气体析出速率以降低孔泡生长速度，使孔隙率收敛到目标孔隙率；达到目标孔隙率后孔泡生长完成；孔泡生长完成后输出所有孔泡尺寸及其标准差，并与步骤2得到的孔穴尺寸及其标准差对比，验证孔穴尺寸的有效性；

步骤5：将步骤3中计算得到的成核点的坐标和步骤4中得到的孔泡尺寸导入三维建模软件中，建立所有孔泡的几何模型，并建立发泡区域的几何模型，将发泡区域的几何模型与所有孔泡的几何模型布尔减后获得泡沫的三维细观结构可视化模型。

所述步骤3中，对所撒成核点的均匀度进行调控的方法如下：

(1)发泡区域分割和撒点：将发泡区域分割成多个尺寸相等的格子，格子的形状和尺寸由泡沫孔穴的形状确定，格子的数量应大于目标成核点数量然后在每个格子中随机撒一个点；