2024年9月1日发(作者：喜幻)
一种纤维材料成型的微动力学虚拟仿真设计
发布时间：2023-02-02T00:59:31.628Z 来源：《科技新时代》2022年18期 作者： 黄昌正2，陈曦1，任明霞2
[导读] 在宏观动力学仿真方面，现已形成了比较成熟的试验与应用体系，
黄昌正2，陈曦1，任明霞2
1.东莞市易联交互信息科技有限责任公司，广东东莞 523000；
2.广州幻境科技有限公司，广东广州 510635
摘要：在宏观动力学仿真方面，现已形成了比较成熟的试验与应用体系，在细胞及分子级的微观动力学仿真方面，由于电子显微镜等
高端设备技术成熟，相关高校研究所也已进行了较成熟的研究，在特种材料微观成型生成过程与呈现方面，国内相关见诸于公开渠道的研
究信息较少，本文介绍一种材料生成的微米纤维成型动力学虚拟仿真方法。
关键词：微动力学仿真 人工智能算法
1、引言
动力学是研究物体运动与作用于该物体上的力相关性。动力学仿真一般指动力学系统建模与仿真[1]。本文所介绍的特种材料成型纤维
微动力学仿真，是指通过分析材料最小纤维根据自身重力沉降成型生成特种材料的过程原理，利用计算机技术与软件算法实现仿真模拟这
一特种材料的生成过程。特种材料在各种领域具有广泛应用，而材料的物理特性跟组成材料的纤维网络形状与纤维之间的接触点紧密相
关，本文即从材料的纤维网络成型与纤维接触点分析出发，进行特殊材料生成的虚拟仿真模拟设计。
2、纤维微动力学仿真算法设计
纤维仿真算法设计思路是，统计在不同介质如真空、空气、水等环境中，组成材料的纤维随机沉降堆叠规律，形成初始的随机数学模
型，基于该随机数学模型利用物理引擎对纤维的下落进行模拟，通过堆叠成材料模型。
通过对一定数量的材料纤维随机沉降堆叠统计分析，基本符合高斯分布，利用高斯分布概率密度函数f(x)=exp(-(x-μ)2/2σ2)/(sqrt(2πσ))作
为控制材料纤维生成的随机函数，通过调整公式中的标准差σ 和生成区域期望值μ，实现材料纤维的沉降堆叠区域位置控制，根据要生成材
料的面积和厚度，控制材料纤维的生成数量。
本文利用以上思路的算法建模设计如下，对组成材料的复合纤维，输入为每种纤维的半径r、长度l和数量n，模型的长X和宽Y，输出为
每根纤维的中心点位置p(x, y, z)、纤维姿态q(w, x, y, z)。
根据每种纤维的形状、半径、长度、形状和数量，创建对应的三维刚体模型，对所有纤维刚体进行平均混合随机排序，作为堆叠时下
落顺序，对每根纤维，利用以上高斯分布概率密度随机函数得到在0-X内实数x、0-Y范围内实数y和0-180度范围内的实数θ，分别作为该纤
维下落前在xy平面内的位置和偏角。在物理引擎帮助下为材料纤维赋予重力、表面摩擦力、弹性等物理参数，按顺序放下纤维，模拟纤维
下落与堆叠，直到所有纤维铺在材料模型中且不再变化时，把模型中所有纤维的位置、姿态、接触点等生成三维坐标数据库，根据此三维
坐标数据库，在虚拟引擎中进行三维重构实现直观的模拟仿真展示。
3、材料纤维自然成型虚拟仿真效果
基于以上微动力学仿真算法设计思路，开发了纤维模型生成软件，软件界面是基于H5 + css + js编写的，基于PhysX[2]物理引擎编写模
型搭建模块，当在软件中可添加不同纤维类型组成复合纤维数据库，软件会将纤维参数传递到模型搭建模块进行模型搭建。
首先在PhysX中创建相对应半径、长度和数量的纤维对象。考虑在计算位置关系时由于胶囊体比圆柱体要快，且对于微米级半径与毫米
长度之间相差几个量级的纤维来说，胶囊体几乎不会改变纤维交点总数，为了提高模型搭建速度，实际实现采用胶囊体代替圆柱体纤维模
型。
在生成纤维对象后，算法将以高斯分布概率密度随机生成纤维中心位置（在材料尺寸范围内）、随机的纤维朝向和随机的顺序在空中
先后摆放纤维体，让纤维体在软件虚拟仿真模拟环境中自由下落，堆叠生成出纤维模型。根据材料尺寸对模型进行边缘裁剪，将裁剪后每
根纤维的长度、位置、朝向等信息发送给虚拟引擎进行渲染输出。如下图是在长宽各1cm的正方形区域，使用半径3um、长度10mm、数量
1000条三菱柱形纤维所生成的材料结构微观模型，通过AI统计所有纤维接触点数量为13801个。根据纤维材质通过调整纤维表面的摩擦系
数、纤维重力系数，可以对生成的模型进行成型微调以达到最接近真实成型过程。
图1 软件界面（左）与纤维材料成型模拟生成测试（右）
利用此方法生成的材料模型可以导出所有纤维分布的空间位置信息，以便通过其他三维软件进行查看模型纤维的空间结构，导出模型
包括obj、stp等常用三维模型文件格式。为便于分析不同纤维体所生成的材料微观模型差异，本文研究开发的模型分析软件支持添加纤维模
型包括圆柱形、椭圆形、3-18边的多边形柱体等，可以选择使用单种纤维模型，也可选择使用多种纤维模型组成混合纤维来生成混合成分
材料。同时利用纤维交点信息和空间结构信息，结合不同纤维材料物理性能如电导率、磁导率、阻抗等进行特种材料的电磁性能研究与分
析。
4，总结
由于纤维材料生成过程是由海量的纤维组成，要想对进行微观结构进行分析，只有借助高倍率的电子放大镜或扫描电镜进行局部的分
析，而难以进行大规模的真实材料结构分析，通过本文介绍的纤维成型虚拟仿真方法，可以通过利用相同特性参数的纤维生成材料模型，
并通过AI模拟分析获得与真实材料接近的电学性能后，通过对模拟所生成的材料模型进行微观结构分析，并真实材料微观结构对比，获得
两者之间的差异后，对模拟算法进行改进，可以使模拟生成的材料模型进一步逼近真实材料结构。
另一方面，真实材料纤维具有一定弹性，在材料成型时，为增加材料强度，通常会使用一个成型压力使纤维结合更紧密形成面接触，
本文所研究开发的算法与软件，对纤维的物理特性设定为刚体，纤维接触点为点接触，后续改进方向可考虑利用说导出的纤维交点信息和
空间结构信息，使用高级编程语言及虚拟引擎如C#+Unity等可以实现纤维成型的弹性变形效果展示，结合AI识别纤维的接触面积统计，可
实现更佳的材料物理性能仿真模拟分析。
在本文软件中，纤维材料模拟建模主要消耗在交点数量的AI统计上，对电脑性能要求较高，建模时间随纤维数量增多会成倍的增加，
一般需要专用图形工作站或AI算法工作站作为软件运行环境。
基金项目：东莞市引进创新创业领军人才计划资助项目“面向虚拟现实的自然交互技术与融合产品研发和产业化”（20171129）；2019
年度广东省重点领域研发计划项目“大范围场景空间定位与自然人机交互关键技术研发及产品化应用”（2019B010147001）
5、参考文献
[1]《动力学系统建模与仿真》是2012年3月1日国防工业出版社出版的一本图书，作者黎明安
[2]《百度百科》PhysX是AGEIA公司开发的物理运算引擎，并形成了专用配套的PhysX引擎加速卡。
2024年9月1日发(作者：喜幻)
一种纤维材料成型的微动力学虚拟仿真设计
发布时间：2023-02-02T00:59:31.628Z 来源：《科技新时代》2022年18期 作者： 黄昌正2，陈曦1，任明霞2
[导读] 在宏观动力学仿真方面，现已形成了比较成熟的试验与应用体系，
黄昌正2，陈曦1，任明霞2
1.东莞市易联交互信息科技有限责任公司，广东东莞 523000；
2.广州幻境科技有限公司，广东广州 510635
摘要：在宏观动力学仿真方面，现已形成了比较成熟的试验与应用体系，在细胞及分子级的微观动力学仿真方面，由于电子显微镜等
高端设备技术成熟，相关高校研究所也已进行了较成熟的研究，在特种材料微观成型生成过程与呈现方面，国内相关见诸于公开渠道的研
究信息较少，本文介绍一种材料生成的微米纤维成型动力学虚拟仿真方法。
关键词：微动力学仿真 人工智能算法
1、引言
动力学是研究物体运动与作用于该物体上的力相关性。动力学仿真一般指动力学系统建模与仿真[1]。本文所介绍的特种材料成型纤维
微动力学仿真，是指通过分析材料最小纤维根据自身重力沉降成型生成特种材料的过程原理，利用计算机技术与软件算法实现仿真模拟这
一特种材料的生成过程。特种材料在各种领域具有广泛应用，而材料的物理特性跟组成材料的纤维网络形状与纤维之间的接触点紧密相
关，本文即从材料的纤维网络成型与纤维接触点分析出发，进行特殊材料生成的虚拟仿真模拟设计。
2、纤维微动力学仿真算法设计
纤维仿真算法设计思路是，统计在不同介质如真空、空气、水等环境中，组成材料的纤维随机沉降堆叠规律，形成初始的随机数学模
型，基于该随机数学模型利用物理引擎对纤维的下落进行模拟，通过堆叠成材料模型。
通过对一定数量的材料纤维随机沉降堆叠统计分析，基本符合高斯分布，利用高斯分布概率密度函数f(x)=exp(-(x-μ)2/2σ2)/(sqrt(2πσ))作
为控制材料纤维生成的随机函数，通过调整公式中的标准差σ 和生成区域期望值μ，实现材料纤维的沉降堆叠区域位置控制，根据要生成材
料的面积和厚度，控制材料纤维的生成数量。
本文利用以上思路的算法建模设计如下，对组成材料的复合纤维，输入为每种纤维的半径r、长度l和数量n，模型的长X和宽Y，输出为
每根纤维的中心点位置p(x, y, z)、纤维姿态q(w, x, y, z)。
根据每种纤维的形状、半径、长度、形状和数量，创建对应的三维刚体模型，对所有纤维刚体进行平均混合随机排序，作为堆叠时下
落顺序，对每根纤维，利用以上高斯分布概率密度随机函数得到在0-X内实数x、0-Y范围内实数y和0-180度范围内的实数θ，分别作为该纤
维下落前在xy平面内的位置和偏角。在物理引擎帮助下为材料纤维赋予重力、表面摩擦力、弹性等物理参数，按顺序放下纤维，模拟纤维
下落与堆叠，直到所有纤维铺在材料模型中且不再变化时，把模型中所有纤维的位置、姿态、接触点等生成三维坐标数据库，根据此三维
坐标数据库，在虚拟引擎中进行三维重构实现直观的模拟仿真展示。
3、材料纤维自然成型虚拟仿真效果
基于以上微动力学仿真算法设计思路，开发了纤维模型生成软件，软件界面是基于H5 + css + js编写的，基于PhysX[2]物理引擎编写模
型搭建模块，当在软件中可添加不同纤维类型组成复合纤维数据库，软件会将纤维参数传递到模型搭建模块进行模型搭建。
首先在PhysX中创建相对应半径、长度和数量的纤维对象。考虑在计算位置关系时由于胶囊体比圆柱体要快，且对于微米级半径与毫米
长度之间相差几个量级的纤维来说，胶囊体几乎不会改变纤维交点总数，为了提高模型搭建速度，实际实现采用胶囊体代替圆柱体纤维模
型。
在生成纤维对象后，算法将以高斯分布概率密度随机生成纤维中心位置（在材料尺寸范围内）、随机的纤维朝向和随机的顺序在空中
先后摆放纤维体，让纤维体在软件虚拟仿真模拟环境中自由下落，堆叠生成出纤维模型。根据材料尺寸对模型进行边缘裁剪，将裁剪后每
根纤维的长度、位置、朝向等信息发送给虚拟引擎进行渲染输出。如下图是在长宽各1cm的正方形区域，使用半径3um、长度10mm、数量
1000条三菱柱形纤维所生成的材料结构微观模型，通过AI统计所有纤维接触点数量为13801个。根据纤维材质通过调整纤维表面的摩擦系
数、纤维重力系数，可以对生成的模型进行成型微调以达到最接近真实成型过程。
图1 软件界面（左）与纤维材料成型模拟生成测试（右）
利用此方法生成的材料模型可以导出所有纤维分布的空间位置信息，以便通过其他三维软件进行查看模型纤维的空间结构，导出模型
包括obj、stp等常用三维模型文件格式。为便于分析不同纤维体所生成的材料微观模型差异，本文研究开发的模型分析软件支持添加纤维模
型包括圆柱形、椭圆形、3-18边的多边形柱体等，可以选择使用单种纤维模型，也可选择使用多种纤维模型组成混合纤维来生成混合成分
材料。同时利用纤维交点信息和空间结构信息，结合不同纤维材料物理性能如电导率、磁导率、阻抗等进行特种材料的电磁性能研究与分
析。
4，总结
由于纤维材料生成过程是由海量的纤维组成，要想对进行微观结构进行分析，只有借助高倍率的电子放大镜或扫描电镜进行局部的分
析，而难以进行大规模的真实材料结构分析，通过本文介绍的纤维成型虚拟仿真方法，可以通过利用相同特性参数的纤维生成材料模型，
并通过AI模拟分析获得与真实材料接近的电学性能后，通过对模拟所生成的材料模型进行微观结构分析，并真实材料微观结构对比，获得
两者之间的差异后，对模拟算法进行改进，可以使模拟生成的材料模型进一步逼近真实材料结构。
另一方面，真实材料纤维具有一定弹性，在材料成型时，为增加材料强度，通常会使用一个成型压力使纤维结合更紧密形成面接触，
本文所研究开发的算法与软件，对纤维的物理特性设定为刚体，纤维接触点为点接触，后续改进方向可考虑利用说导出的纤维交点信息和
空间结构信息，使用高级编程语言及虚拟引擎如C#+Unity等可以实现纤维成型的弹性变形效果展示，结合AI识别纤维的接触面积统计，可
实现更佳的材料物理性能仿真模拟分析。
在本文软件中，纤维材料模拟建模主要消耗在交点数量的AI统计上，对电脑性能要求较高，建模时间随纤维数量增多会成倍的增加，
一般需要专用图形工作站或AI算法工作站作为软件运行环境。
基金项目：东莞市引进创新创业领军人才计划资助项目“面向虚拟现实的自然交互技术与融合产品研发和产业化”（20171129）；2019
年度广东省重点领域研发计划项目“大范围场景空间定位与自然人机交互关键技术研发及产品化应用”（2019B010147001）
5、参考文献
[1]《动力学系统建模与仿真》是2012年3月1日国防工业出版社出版的一本图书，作者黎明安
[2]《百度百科》PhysX是AGEIA公司开发的物理运算引擎，并形成了专用配套的PhysX引擎加速卡。