[发明专利]一种基于像素理论的颗粒增强复合材料有限元建模方法

说明书

本发明公开的一种基于像素理论的颗粒增强复合材料有限元建模方法，涉及一种基于像素理论的考虑微观组织的颗粒增强复合材料有限元建模方法，属于颗粒增强复合材料的有限元建模技术领域。本发明在传统颗粒增强复合材料有限元模型材料的定义的基础上，基于像素理论的方法建立增强相颗粒几何模型，能够准确反映增强相轮廓，平衡效率和仿真结果准确性的矛盾，提高颗粒增强复合材料有限元模型仿真准确性和可靠度，进而解决颗粒增强复合材料领域工程问题。此外，本发明具有一般通用性，适用于但不限于颗粒增强复合材料的有限元建模；能够提高模型的准确性的同时极大的简化有限元的建模操作，具有简化数字化图像处理以及有限元软件建模的繁杂度的优点。

技术领域

本发明涉及一种考虑微观组织的颗粒增强复合材料有限元建模方法，尤其涉及一种基于像素理论的考虑微观组织的颗粒增强复合材料有限元建模方法，属于颗粒增强复合材料的有限元建模技术领域。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料兼具金属和非金属的综合性能，具有高强度、高弹性模量、耐磨损和导电导热性能好等特点，且其比强度、比模量和耐热性超过基体金属，因此被广泛应用于航空航天、电子、汽车及建筑等行业，也是目前工程材料领域的研究热点。在探究材料的性能时，有限元仿真是一种有效且常用的方法，针对颗粒增强金属基复合材料，建模称为仿真的重点难点，金属基复合材料的微观结构如颗粒形貌、大小、分布、含量等对复合材料的整体性能有着十分重要的影响，因此，怎样建立基于实际的有限元模型至关重要。

颗粒增强金属基复合材料与传统的均质金属材料有着明显的不同，增强相颗粒与基体之间的材料属性有着十分明显的差异，因此无法忽略其材料内部的结构，同传统的均质材料一样建立的有限元模型所得到的仿真结果难以令人信服。

当前对于颗粒增强复合材料的有限元建模技术主要集中于统计学分析，通过统计材料内部的颗粒形貌、大小和位置分布等信息，利用随机数进行建模。但是不同批次的材料之间，不同厂家生产的同种材料之间，由于各种原因，往往导致所得到的材料之间存在着细微的差异，此时基于统计信息建立起的有限元模型往往不能够准确反映材料的真实内部结构。

扫描电子显微镜以及高倍率的光学扫描显微镜可以让我们很清晰的观察到材料的真实微观组织，通过扫描材料的内截面，我们能够清晰的看到增强相颗粒在复合材料中具体的分布情况。并且随着数字图像处理技术的发展，应用各种图像处理软件如Photoshop、Matlab等，我们可以经过一系列的处理将图片的像素点与仿真模型的网格(四边形网格)单元联系起来，并利用Python语言实现在ABAQUS软件中建立基于真实轮廓的仿真模型，为模拟真实的微观组织结构提供了方便的途径。

发明内容

为了能够更加准确的建立颗粒增强复合材料的有限元模型，改变现有的基于统计学的建模方法的效率低下、操作繁杂、不能准确反映材料的真实微观组织结构等问题，本发明公开的一种基于像素理论的颗粒增强复合材料有限元建模方法要解决的技术问题是：提供一种结合多种数字化图像处理软件以及有限元仿真软件的有限元建模方法，考虑微观组织对颗粒增强复合材料有限元模型的影响，能够准确表示颗粒项轮廓，简化数字化图像处理以及有限元软件建模的繁杂操作，提高有限元仿真的准确性和可靠度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于像素理论的颗粒增强复合材料有限元建模方法，包括如下步骤：

步骤一、提取颗粒增强复合材料的微观组织形貌数字图像，为后续数字化图像处理工作做准备。

针对所使用的具体复合材料，对其进行线切割、研磨、抛光、超声振动清洗相关加工工序之后得到材料截面，提取具体复合材料的微观组织形貌图像，要求拍摄前应保证材料表面氧化、腐蚀区域去除干净，拍摄时选取增强相颗粒均匀分布的典型区域，所拍摄的图像清晰且满足预设对比度要求，能够清楚的表现出颗粒的边缘，为后续数字化图像处理工作做准备。