三维颗粒随机堆积几何生成工具，可用于电池有限元模拟

下面这个图是COMSOL官网上的锂离子电池异构模型的案例，图中动画形式展示了包含三维颗粒的电极微观结构中，固体活性颗粒的锂浓度，电解液中锂通量和浓度的实时演变过程。

动画演示了固体颗粒的锂浓度随着充放电过程实时变化，颜色由浅到深代表锂嵌入的程度。电解液的锂离子通量和浓度分布演变，能看出离子在孔隙中传输的路径和快慢。

锂离子电池有限元模拟中最经典和常用的就是P2D模型。这个模型通常假设电极是均质的，忽略了电极内部结构的复杂性，如体积分数、比表面积和有效传递属性等平均属性被用来描述多孔结构。我自己最开始做模拟主要就是从经典P2D模型开始的，后面慢慢扩展到二维模型。二维模型很难复现颗粒之间的孔隙三维空间的联通状态。三维几何模型则详细描述了孔隙电解质和电极颗粒的实际形状，提供了精细的几何结构。

但是，这种三维精细结构的几何模型构建难度比较大。通常采用随机生成的方法，本文分享一个三维颗粒随机堆积几何生成网页工具，该工具生成的球体颗粒可以输出几何坐标，用于COMSOL电池有限元模拟。

颗粒生成循环过程中会生成一个“候选颗粒”，包括其半径和位置。确保生成的半径落在设定的 [R_MIN, R_MAX] 区间内，同时统计分布上趋近于设定的均值与标准差。

如果 “允许颗粒超出边界”不勾选：球心坐标在 [X0 + r, X0 + W - r] 、 [Y0 + r, Y0 + L - r]区间内均匀随机选取，保证球体完全在长方体内部。

如果 “允许颗粒超出边界”勾选状态：球心坐标在 [X0 + r, X0 + W - r] 、[Y0 + r, Y0 + L - r] 区间内均匀随机选取。Z轴方向不允许超出边界

这里还设定rind（边界保护层）可以防止球心贴边界太近。

设定好参数后即可生成颗粒，通过部分实测检验，合适的粒径范围和重叠比例下活性颗粒的体积分数可达到70%以上。生成的颗粒在网页中三维展示，也可以保存颗粒的球心和半径，直接用于建模。

颗粒体积分数的计算已经扣除了重叠的体积，长方体区域之外的体积。实际的体积分数相当于活性颗粒的体积分数。