[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于像素理论的颗粒增强复合材料有限元建模方法，其特征在于：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；步骤二、利用图像处理软件对微观组织形貌数字图像进行预处理；步骤一提取的颗粒增强复合材料的微观组织形貌数字图像因为夹杂着杂质和阴影导致其难以通过图像处理软件进行自动处理，因此为了能够更加准确快速的识别强化相颗粒，必须利用图像处理软件对其进行预处理；步骤三、分割增强相和基体，提取复合材料增强相颗粒和基体特征；将步骤二中得到的微观组织形貌数字图像导入Matlab中进行数字图像处理，清晰的表现颗粒的轮廓，并去除在有限元分析忽略不计的细小颗粒和特征，最终提取所需要的增强相颗粒的轮廓特征，为后续的计算拟合做准备；所述的数字图像处理包括灰度处理、二值化处理、孔洞填充；步骤四、基于像素理论调整步骤三中提取复合材料增强相颗粒和基体特征后的数字图像的像素，为提取有限元几何模型坐标信息做准备；数字图像像素越大，像素点越多，对应的有限元仿真模型单元越多，节点及单元坐标信息越多，模型越能精确反应实际工件，仿真结果越准确，但数字图像处理及后续仿真效率越低；数字图像像素越小，像素点越少，对应的有限元仿真模型单元越少，节点和单元坐标信息越少，数字图像处理及后续仿真效率越高，但模型与实际工件差异越大，仿真结果越不准确；因此需根据实际工况和精度要求综合考虑效率及准确性的因素调整数字图像的像素，平衡效率和仿真结果准确性的矛盾，直至满足预设效率和仿真结果准确性的要求，为提取有限元几何模型坐标信息做准备；步骤五、提取有限元几何模型坐标信息，为建立有限元几何模型做准备；数字图片中每一个像素点都是边长为L的正方形，每一个像素点都对应仿真模型中的网格单元，其中L＝实际模型长(或宽)/相应边长像素点数，调整像素后相应的L值也会发生变化，以保证有限元几何模型大小与步骤一提取颗粒增强复合材料的微观组织形貌数字图像大小相符；因此需按照指定格式分别存储增强相颗粒和基体的坐标信息于文本文件中，以便编写相应的有限元几何模型，坐标信息主要包括建模所需要的节点坐标及编号、网格单元坐标及编号；根据像素值的不同将网格单元划分为增强相和基体两个集合，提取增强相单元编号集合和基体单元编号集合；即完成提取有限元几何模型坐标信息，为建立有限元几何模型做准备；步骤六、基于步骤五提取的有限元几何模型坐标信息建立颗粒增强复合材料有限元模型；利用建模脚本，基于步骤五提取的增强相颗粒和基体的节点坐标信息及编号、增强相颗粒和基体的网格单元坐标及编号、增强相单元编号集合和基体单元编号集合信息编写有限元几何模型文件，在有限元仿真软件中建立几何模型，完成装配，在有限元软件中分别赋予增强相集合和基体集合相应的材料属性以定义基体和增强相，最终完成有限元建模。