本发明专利技术提出了一种基于序列图像的多相材料细观构造有限元重构方法，该方法在采集、读取和插值材料序列图像的基础上，建立与序列图像形成映射关系的有限元拓扑模型，并利用图像的构造信息和模型的拓扑结构确定节点和单元信息，然后利用图像中颜色信息的统计平均值确定有限元模型各单元的材料属性。本发明专利技术不仅可以由单张图像重构反映材料截面真实构造的二维四边形有限元模型，也可以直接由序列图像重构出材料真实构造的三维六面体有限元模型。本发明专利技术避免了现有几何重构方法在重构和网格划分等环节中的误差积累，大大节约了重构时间，提高了重构效率。本发明专利技术可广泛应用于多相材料的宏细观跨尺度研究、优化设计和制备等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料
，涉及一种多相材料有限元重构方法，尤其是。
技术介绍
多相材料(如复合材料)的性能和失效机制不仅与其宏观特征和各组分相的性能有关，也与增强相的形状、尺寸、分布以及增强相与基体之间的界面特性等细观特征密切相关。在组分材料一定的情况下，多相材料的细观构造对其性能及其在使用过程中的失效起到了决定性的作用，这就使得通过设计和改变多相材料的细观构造来开发和制备先进的新型多相材料成为可能。然而，由于细观构造的复杂性，预测多相材料性能与细观构造之间的关系是材料设计的一大难题。为了揭示多相材料细观构造对其宏观性能以及失效的影响，必须首先建立能够反映其细观构造的模型。在多相材料性能的研究中，比较传统、应用也最为广泛的方法是将多相材料的细观构造理想化为具有简单几何特征的模型，对于纤维增强复合材料，多将长纤维增强相简化为细长圆柱体，而将短纤维增强相简化为圆柱体或长短轴比例相对较大的椭球体等；对于颗粒增强复合材料而言，多将增强相简化为球形、椭球形、圆柱体或多面体等。 然而这些理想化的简单模型忽略了多相材料真实的三维细观几何构造，难以用于对材料进行精确的分析。随着数字图像处理和分析技术的不断发展，在对截面细观图像进行数字处理获取材料的二维几何和拓扑信息的基础上，利用材料的序列图像重构反映其真实三维细观构造的模型成为可能。这种基于序列图像的材料三维重构可以分为面绘制和体绘制两种方法。 面绘制利用序列图像重构出材料中细观构造的表面，它可以提供材料真实形状的全部信息。面绘制可以采用基于轮廓线和基于体素的方法来对材料进行重构，基于轮廓线的方法从材料的一系列截面图像中细观构造的轮廓线推断出相应材料的实际空间几何结构；基于体素的方法中应用最为广泛的是Marching Cube方法，该方法逐个处理由序列图像相邻层上的各四个像素点组成的立方体，分离出与细观构造表面相交的立方体，采用插值方法确定细观构造表面与立方体的交点，并由这些交点确定材料的空间几何结构。体绘制以体素集合来表达材料的结构，它不仅可以真实地重构材料的各相结构，还能完全地反映各相结构内部更为细小的夹杂、孔洞等结构。很多研究者利用序列图像重构了材料的细观构造，并将重构的模型与传统的简化模型进行了比较，结果表明在分析材料的宏细观行为及失效等方面，用序列图像重构的模型更为精确。然而，这些基于序列图像的重构方法根据各相材料之间的轮廓建立反映材料真实细观构造的表面或实体，对材料的性能及失效等进行有限元分析还需利用有限元网格生成技术或有限元前处理软件对其划分网格，而基于复杂表面或实体划分的网格多为三角形或四面体单元，有限元分析精度不高；同时，材料细观构造的复杂性限制了网格的质量， 且网格剖分过程中容易丢失材料细观构造中的细节信息，这进一步影响着有限元分析的精度和效率；另外，这些方法的重构过程非常繁杂，且利用这些方法编制重构软件对多相材料研究者和力学工作者是一大难题，从而使得这种方法难以广泛应用于材料的研究设计中。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有重构方法在材料性能及失效分析等方面应用时的不足，提供，该方法将材料序列图像中的信息映射到重构的有限元模型中，使得材料中的任何细节结构信息都可以在有限元模型中得到重现；本专利技术为了克服现有重构方法重构过程非常繁杂的不足，在图像数据处理和有限元模型的建立等方面应用了简单有效且易于编程实现的算法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的(1)利用计算机断层扫描测量法采集材料中各平行截面的序列图像；(2)读取并存储序列图像中的颜色信息；(3) 二维有限元重构，首先建立与序列图像中单张图像形成映射关系的二维有限元拓扑模型，并根据序列图像的物理信息及模型的拓扑结构确定有限元模型的节点和单元信息，然后基于映射关系确定有限元模型中各个单元的材料属性；(4)三维有限元重构，首先对序列图像进行插值，然后建立与插值产生的序列图像形成映射关系的三维有限元拓扑模型，并确定有限元模型的节点和单元信息，最后基于映射关系确定有限元模型中各个单元的材料属性。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果(1)选取序列图像中具有代表性的单张图像来重构反映材料截面真实细观构造的二维有限元模型。重构的有限元模型不仅可以基于细观力学中的各种预估方法分析二维情况下多相材料中增强相的形状、大小以及分布等细观构造与材料宏观性能和失效等之间的关系，从而为材料的开发设计提供依据；可以直接用于平面应力和平面应变分析，以确定多相材料中增强相的形状、大小、分布以及各相之间的界面特性等细观构造对材料应力应变关系或失效机制的影响，进而根据这些分析建立更加可靠的细观力学理论；还可以定量地分析材料截面中细观构造的分布情况，为多相材料的制备提供指导。(2)选取序列图像中具有代表性的单张图像来重构各相材料体积分数随着控制参数而变化的二维有限元模型。重构的有限元模型可用于分析多相材料在细观构造确定的情况下，各相材料的体积分数对多相材料宏观性能和失效的影响。(3)根据序列图像重构反映材料真实细观构造的三维有限元模型。重构的有限元模型仍然可以基于细观力学中的各种预估方法预测三维情况下多相材料中各细观构造对材料宏观特性和失效等的影响，为材料的开发设计提供依据；可以直接用于静力、动力、断裂、损伤和疲劳等方面的分析，并根据这些分析建立完善的细观力学方法；还可以定量地分析材料中细观构造的分布情况，为多相材料的制备和加工提供指导。(4)根据序列图像重构各相材料体积分数随着控制参数而变化的三维有限元模型。重构的有限元模型可以真实地分析多相材料在细观构造确定的情况下，各相材料的体积分数对多相材料宏观特性和失效机制的影响。附图说明图图图图图图图图图图图图图图图图图图图元模型；图元模型；图模型；图元模型；图元模型；图元模型；图元模型。S面图像与二维有限元拓扑模型之间的映射关系 维有限元模型的节点和单元编号形式； 维有限元模型的单元与图像的对应关系； 1用CT机采集到的序列图像插值生成新的序列围 〗列图像与三维有限元拓扑模型之间的映射关系 维有限元模型的节点和单元编号形式； 维有限元模型的单元与图像的对应关系；程=6，nH ==6 和 f ==0. 45的参娄制下I构的一二维有限元模型=3，nH ==3 和 f ==0. 45的参娄制下I构的一二维有限元模型=3，nH=3 禾口 f=0. 2的参娄制下I构的一二维有限元模型=3，nH=3 禾口 f=0. 3的参娄制下I构的一二维有限元模型=3，nH=3 禾口 f=0.4的参娄制下I构的一二维有限元模型=3，nH=3 禾口 f=0. 5的参娄制下I构的一二维有限元模型=3，nH=3 禾口 f=0.6的参娄制下I构的一二维有限元模型=6，nH ==6, dT =0. 1 μ m 禾口 f=0. 45的参数控制下重构的三维有限图15在nw = 4，nH = 4，dT = 0. 1 μ m和f = 0. 45的参数控制下重构的三维有限图16a在nw = 4，nH = 4，dT = 0. 1 μ m和f = 0.的参数控制下重构的三维有限元图16b在nw = 4，nH = 4，dT = 0. 1 μ m和f = 0. 3的参数控制下重构的三维有限图16c在nw = 4，nH 本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于序列图像的多相材料细观构造有限元重构方法，其特征在于，包括以下步骤：１）利用计算机断层扫描测量法采集材料中各平行截面的序列图像；２）读取并存储序列图像中的颜色信息；３）二维有限元重构：首先建立与序列图像中单张图像形成映射关系的二维有限元拓扑模型，并根据序列图像的物理信息及模型的拓扑结构确定有限元模型的节点和单元信息，然后基于映射关系确定有限元模型中各个单元的材料属性；４）三维有限元重构：首先对序列图像进行插值，然后建立与插值产生的序列图像形成映射关系的三维有限元拓扑模型，并确定有限元模型的节点和单元信息，最后基于映射关系确定有限元模型中各个单元的材料属性。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李跃明，黄明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。