[发明专利]一种基于Java的任意孔隙率海绵材料的仿真设计方法

说明书

本发明提供了一种基于Java的任意孔隙率海绵材料的仿真设计方法，涉及多孔材料建模技术领域，本方法包括步骤S1：基于多孔海绵微观结构模型，根据Java语言以随机函数在预设数值范围内生成圆球孔的随机空间位置坐标和随机半径；S2：根据多孔海绵材料各孔在海绵块内部的实际特征，通过第一预设操作流程使生成的孔落在海绵块内部；S3：根据多孔海绵材料各孔之间的特征，通过第二预设操作流程使生成的孔与之前的孔相互不产生干涉；S4：根据空间位置坐标和半径在COMSOL中建立球体几何模型。本方法能够通过实现不同孔隙率目标的自动建模且各孔之间互不干涉，满足电容传感器多孔海绵材料介电层仿真建模等情景的实际需求。

技术领域

本发明涉及多孔材料建模技术领域，具体而言，涉及一种基于Java的任意孔隙率海绵材料的仿真设计方法。

背景技术

随机多孔材料建模一直是有限元仿真分析领域较复杂的议题，例如在电容式压力传感器的仿真分析问题中急需建模出可靠的多孔材料介电层用于仿真计算。电容式压力传感器是目前成本最低、应用最广泛的压力传感器，介电层采用多孔互不干涉海绵材料的电容传感器设计方案又占据较大比重。一直以来在仿真分析软件图形用户界面中对随机多孔海绵材料建模都较为复杂，同时在电容式压力传感器的仿真分析中迫切需要建立具有多孔微观结构的模型来模拟压力作用下介电层整体介电常数的变化。

对多孔海绵材料的设计研究主要是以实验测试为主，根据实验所得的宏观和微观材料参数，由经验数据归纳统计总结规律，得到决定电容式压力传感器性能的介电层孔隙率等相关参数。其局限性在于其材料参数的获得需要特殊设计的设备才能测试，而且经验模型的建立过多依赖于实验测试数据，其精度较难保证，具有复杂性且不具备广泛性。

实验和生产中电容式压力传感器多孔海绵介电层的几种制备思路、设计方案和实际制备产品具有以下微观特征：孔的形状基本是不规则的椭球孔或多面体孔，分布随机、大小随机且各孔间互不干涉。根据该特征可以将孔简化为圆球孔，但应当保证建立各孔分布随机且大小随机的多孔海绵微观结构简化仿真模型，其中应实现各孔之间互不干涉的结构特征。而现有多孔海绵材料的理论模型一般是将多孔海绵材料中的孔简化为规则孔，如圆柱体通孔或圆球孔等，然后在建模中把实际多孔材料的孔结构相对等效为分布规则、大小规则的孔结构，然后进行各种修正，使得修正后的理论模型能够较好地描述实际多孔介电层电容式压力传感器的力或者电的关系。这些模型在预测多孔海绵介电层电容式压力传感器性能方面虽然取得了部分成功，但是却忽略了真实结构密度分布的不均匀性，不能很好地体现多孔结构的随机性，无法在更准确的角度对多孔海绵介电层电容式压力传感器的性能进行分析，也无法方便地研究不同孔隙率对传感器性能的影响，从而维持着优化设计的高难度。

目前使用其他专业软件互相搭配以联合建立随机多孔材料微观结构模型，进而进行仿真分析的方法，在多孔材料研究领域已经取得了一些研究成果，但是这类方法大多需要在各个专业软件之间来回导入导出，方法较为复杂，难以提高优化设计的效率，而且在电容式压力传感器多孔介电层性能分析方面基本尚无应用。

发明内容

本发明解决的问题是如何实现不同孔隙率目标的自动建模且各孔之间互不干涉，满足电容传感器多孔海绵材料介电层仿真建模等情景的实际需求。

为解决上述问题，本发明提供一种基于Java的任意孔隙率海绵材料的仿真设计方法，包括步骤：

S1：基于多孔海绵微观结构模型，根据Java语言以随机函数在预设数值范围内生成圆球孔的随机空间位置坐标和随机半径；

S2：根据多孔海绵材料各孔在海绵块内部的实际特征，通过第一预设操作流程使生成的孔落在海绵块内部；

S3：根据多孔海绵材料各孔之间的特征，通过第二预设操作流程使生成的孔与之前的孔相互不产生干涉；

S4：根据空间位置坐标和半径在COMSOL中建立球体几何模型；

S5：计算生成的每个孔的孔隙率，经过循环直至孔隙率达到设定值；