Abaqus钢纤维混凝土(FRC)高效建模Python程序v1.0使用指南
本项目是将 MATLAB 工具 “Abaqus Mesh for Fiber-reinforced Composites (Embedded)” 转换为 Python 实现的版本，主要用于在 Abaqus 中模拟纤维增强复合材料中纤维的嵌入式建模（Embedded Element）。
功能概述
支持生成规则立方体 C3D8 网格（基体） 支持多方向分组生成 T3D2 纤维（随机 + 定向组合） 支持通过配置文件设定椭球体、球体、长方体、圆柱体等几何区域筛选 自动构建嵌入式约束关系（*Embedded Element），与原有网格模型不共节点 可视化：PyVista 显示立体网格 + 不同颜色显示不同纤维组 输出标准 Abaqus .inp文件（按 group 写入多个 ELSET）配置集中管理：采用 TOML格式配置文件（支持注释）
项目结构
FiberPy/
├── main.py # 主程序，读取 config.toml 并驱动流程
├── utils.py # 通用函数，如 load_config()
├── fiber_generator_grouped.py # 支持分组和编号的纤维生成器
├── geometry_filters.py # 几何筛选器构造函数（椭球、球体、柱体等）
├── mesh_generator.py # 规则立方体网格生成工具
├── plot_mesh_grouped.py # 可视化函数（按 group 上色）
├── write_inp_file_grouped.py # 写入 Abaqus .inp 文件（分组写入）
├── config.toml # 主配置文件
所需环境依赖
使用 Python 3.8+，并安装以下库：
pip install numpy pyvista
如使用旧版本 pyvista（<0.42），建议使用兼容构造方式（代码已支持）。
整体实现流程
1. 网格生成（C3D8）
程序读取 x/y/z区间与dx/dy/dz步长；构造规则 hexahedral 网格（C3D8 单元）； 所有网格单元统一归为 MATRIX分组。
2. 纤维生成（T3D2）
读取 orientation列表：支持任意多个方向组合 + 比例；可设为： random：球面均匀采样方向；vector：固定方向[l, m, n]；每组纤维将记录 group 名并被区分处理； 所有 T3D2 元素被分组写入多个 ELSET=FIBER_<group>。
3. 几何区域筛选器（可选）
通过配置文件 geometry.type选择约束区域；支持： ""（空字符串）表示不筛选；"ellipsoid"：椭球体；"sphere"：球体；"box"：立方体内部；"cylinder"：垂直或任意方向的柱体；程序会自动过滤掉超出指定区域的纤维。
4. 可视化展示
使用 PyVista 绘制绿色网格 + 多组彩色纤维； 每个 group 使用独立颜色； 可用于模型结构完整性检查。
5. 输出 INP 文件
所有节点写入 *NODEC3D8 单元写入 *ELEMENT, ELSET=MATRIX, TYPE=C3D8T3D2 元素按 group 写入多个 ELSET 自动添加：
*EMBEDDED ELEMENT, HOST ELSET=MATLAB_MESH-1.MATRIX
MATLAB_MESH-1.<FIBER_GROUP>
6. 导入进Abaqus
File -> Import -> Abaqus Input File -> 选择生成的 .inp 文件，导入进Abaqus中将显示不同分组下的纤维集 合。
理论实现细节：随机纤维生成原理
在本程序中，每根纤维被表示为三维空间中一条具有固定长度 的线段，形式为：
Fiber_i = [x1, y1, z1, x2, y2, z2]
其构造包括起点 和终点 ，构造过程如下：
Step 1：随机选取纤维起点
在立方体域中均匀采样：
x1 = np.random.uniform(*x_range)
y1 = np.random.uniform(*y_range)
z1 = np.random.uniform(*z_range)
即
Step 2：随机生成球面方向向量
为了让纤维方向在三维空间中均匀分布，可以使用 球面对称采样：
theta = np.random.uniform(0, 2 *np.pi)
v = np.random.uniform(-1, 1) # 方向余弦，相当于 cos(φ)
l = np.sqrt(1 - v**2) * np.cos(theta)
m = np.sqrt(1 - v**2)* np.sin(theta)
n = v
direction = np.array([l, m, n])
：极角 ：方向余弦 ：单位向量，均匀分布在球面上
这种方法比直接采样 更均匀，避免极点密集问题。
Step 3：构造终点
构造长度为 的向量，并叠加在起点上得到终点：
sign = np.sign(np.random.uniform(-1, 1)) # 随机正负方向
d_scaled = sign * L * direction
p1 = np.array([x1, y1, z1])
p2 = p1 + d_scaled
Step 4：边界判断
若终点落出边界，则放弃该纤维并重试，直到合法为止：
if not (x_range[0] <= p2[0] <= x_range[1] and y_range[0] <= p2[1] <= y_range[1] and z_range[0] <= p2[2] <= z_range[1]):
continue
Step 5：存储结果
最终每条纤维为：
fibers[i] = [x1, y1, z1, x2, y2, z2]
生成 条纤维，即得到 的 numpy.ndarray。
其中，关键采样公式
纤维方向设置说明
程序中的 orientation 参数用于控制纤维的空间走向，支持灵活配置，适用于多种建模场景。
1. 单一方向模式
使用一个三维向量 [l, m, n] 表示固定方向，程序将自动单位化：
orientation = [
[{type = "vector", value = [1, 0, 0]}, 1.0]
]
或
orientation = [
{type = "vector", value = [1, 0, 0]}
]
示例：沿 X 轴生成所有纤维；
[1, 1, 0]表示 XY 平面 45°；
[1, 1, 1]表示 XYZ 对角线方向；
支持 ± 随机反向；
不要求是单位向量，程序内部会归一化。
2. 随机方向模式
orientation = [
[{type = "random"}, 1.0]
]
每根纤维的方向在单位球面上均匀分布； 适用于无特定铺设方向的增强体模拟； 也可与定向模式组合使用。
3. 多方向组合模式（混合铺设）
通过设置多个方向 + 比例，模拟复杂铺层：
orientation = [
[{type = "vector", value = [1, 0, 0]}, 0.4],
[{type = "vector", value = [0, 1, 0]}, 0.3],
[{type = "vector", value = [1, 1, 0]}, 0.3]
]
程序会自动根据比例分配纤维数量。例如：
count = 1000
将生成 [400, 300, 300] 根对应方向的纤维。
4. 随机 + 定向混合模式
完全支持如下混合方式：
orientation = [
[{type = "random"}, 0.3],
[{type = "vector", value = [1, 0, 0]}, 0.4],
[{type = "vector", value = [0, 1, 0]}, 0.3]
]
生成：
30% 球面均匀分布的随机方向纤维； 40% 沿 X； 30% 沿 Y。
注意事项
所有方向自动归一化； 支持正反方向随机扰动； 若方向为 [0, 0, 0]会被忽略；比例不需归一，总和自动标准化； 可通过 group 字段追踪每类纤维。
高级用法建议
使用 [1, 1, 0]、[0, 1, 1]等表示 ±45°、面内铺层；可通过配色和分组在可视化中查看铺设效果； 后续将支持不同组的材料属性与行为。
几何区域筛选器设置说明
在默认模式下，程序只保证纤维的两个端点落入全局立方体盒 [x0,x1] × [y0,y1] × [z0,z1]。但可以通过 "geometry" 字段进一步设定 纤维必须落入的几何内域，如椭球体、球体、盒体、柱体等。
可选类型与配置示例
type | |||
|---|---|---|---|
"" | type = "" | ||
"ellipsoid" | center axes | ||
"sphere" | center radius | ||
"box" | min max | ||
"cylinder" | base axis, radius, height |
配置文件中写法示例（TOML）
无筛选（默认）
[geometry]
type = ""
椭球体筛选
[geometry]
type = "ellipsoid"
center = [50, 50, 50]
axes = [30, 20, 10]
球体筛选
[geometry]
type = "sphere"
center = [50, 50, 50]
radius = 25
长方体内盒
[geometry]
type = "box"
min = [20, 20, 20]
max = [80, 80, 80]
圆柱体（任意方向）
[geometry]
type = "cylinder"
base = [50, 50, 0]
axis = [0, 0, 1]
radius = 15
height = 100
程序内部原理（简述）
程序会调用一个 inside_fn(p1, p2) 判断纤维两端点是否都在指定几何内域内，若不满足则放弃该纤维并重新采样。
例如椭球判断：
rel = p - center
value = (x/a)^2 + (y/b)^2 + (z/c)^2
if value > 1: reject
每种几何体都有对应的 inside_<type>() 函数，并由 build_inside_fn() 自动构造过滤器。
适用场景
模拟局部增强区（如椭球形芯区）； 控制纤维只出现在特定空间； 分析特定路径上的纤维沉积或成型区域。
