[发明专利]一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法

说明书

技术领域

本发明属于含有较多缺陷或者多相材料的有限元建模技术领域。

背景技术

工件在生产的过程中，或出于主动或者被动，总会在结构组织中引入一下夹杂或者缺陷，比如铸造过程中产生的缩孔、弥散强化中的夹杂物，这些都对产品的性能好坏有决定性的作用。在探索材料的性能中，我们常常会用到有限元建模的方法，分析其在受到各种加载的情况下的性能以及破坏情况，而各种缺陷或者夹杂的存在对其性能的影响是巨大的，因此，怎样建立贴近于实际的有限元模型是极其重要的。

传统的有限元建模方法局限于有限元软件本身，只是人为地构造成理想化的集合模型，而忽略了材料内部的结构，这样的结果是令人难以完全接受的。比如说要模拟材料中的孔洞缺陷的存在对材料力学特征的影响，若不能正确的构造出材料内部孔洞的大小以及分布情况，而人为地手动去挖出一些孔洞出来，这样模拟出来的力学特性是与实际情况有差别的。为了解决这一问题，就必须将材料的真实微观结构情况引入到有限元的建模过程中。

扫描电子显微镜SEM的出现将我们对材料的视野从宏观带到了微观，通过扫描材料的内截面，我们能清晰的看到其中的夹杂或者缺陷。且随着数字图像处理技术的发展，应用各种图像处理软件，比如Photoshop、CorelDraw我们已经可以将这些夹杂或者缺陷的轮廓表现出来，并且能够去除细小的缺陷。而位图转变为矢量图的技术，就直接将夹杂或者缺陷的轮廓与有限元软件结合在了一起，为模拟真实微观组织结构对材料性能的影响提供了可能。

也有学者通过计算机编程技术，结合数字图像处理基本知识与计算机语言将材料的微观结构表现在有限元中，但是这种方法的实现需要强大的计算机编程技术知识的支撑，这无疑使一道门槛，使得这种方法难以被大多人所接受。

发明内容

为了能够更准确的反映材料内部结构对材料性能的影响，本发明结合数字图像处理技术，结合各软件之间的转换，提供了一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法。该方法将材料内部形貌比如孔洞、裂纹、夹杂真实的反映在有限元建模中，使得材料的微观结构可以反映在有限元建模中。该方法改变了传统的有限元建模思路，建立在数字图像处理的基础上，将材料的真实微观组织形貌与有限元结合在一起，在建模过程中将材料的真实缺陷或者夹杂映射到有限元模型中，让模拟过程更加贴近于实际，对计算结果的可信度有一个提高。此外，本发明通过各种软件之间的配合，省却了复杂的编程过程，使更多不熟悉编程语言的使用者更容易接受。

本发明的技术方案具体如下： 一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，包括以下步骤：

（1）利用SEM扫面电子显微镜获取所需研究材料的微观组织形貌，将其保存为数字图像模式；

（2）利用Photoshop图像处理软件对所获得的数字图像进行灰度处理，阈值分割，开关闭合操作等数字图像处理过程，减少微小缺陷或细小杂质，清晰表现主要缺陷或者杂质轮廓；

（3）在CorelDraw绘图工具中转换所得到的缺陷或者杂质的轮廓位图为矢量图，圆滑缺陷或者夹杂的边缘；

（4）对步骤（3）所获得的矢量图在AutoCAD、UG中进行格式转换最终转变为有限元软件所兼容的格式;

（5)将所得到的矢量图放入到有限元软件中划分网格。

所述步骤（1）按照以下方法进行：利用扫描电子显微镜在所要研究的对象材料表面选取一块能够代表组织中缺陷或者夹杂的区域，为方便后续图像处理工作，要求拍摄所得照片能够清晰表现出各缺陷或者夹杂的形貌。

所述步骤（2）按照以下方法进行： 1)灰度处理：将通过SEM所获得的照片截取所需要的区域，并对所得到的截图进行灰度处理，把截图转换成灰度图（灰度图可以用一个矩阵表示,矩阵的每个元素为这个象素点的灰度值）；

2)阈值分割：对所得到的图片绘制其直方图，对照波峰波谷选取合适的阈值进行分割，将图片整体区域分成两个部分，基体和缺陷或者夹杂，其中缺陷或者夹杂表现为灰度值为0为黑色，基体灰度值为1，为白色；

3)开关闭合操作进行图像去噪：去掉微小阴影，将大缺陷、大空洞、大的夹杂物保留；

4)将经过处理之后的图片在Photoshop中以*.jpg格式输出，为下一步骤做准备。

步骤2)中所获得的照片因为有过多的微小缺陷或者由于拍摄原因所产生的小阴影，这些微小阴影的存在会大大影响后续计算过程中计算机的速度，所以需要去掉。通过该步骤将大缺陷，大空洞，大的夹杂物保留，而忽略到微小缺陷。

所述步骤（3）按照以下方法进行：