一种多组分材料力学性能的各向异性分析方法技术

本发明专利技术提供了一种多组分材料力学性能的各向异性分析方法，首先将多组分材料的微结构几何特征依据micro

【技术实现步骤摘要】
一种多组分材料力学性能的各向异性分析方法


[0001]本专利技术属于材料基本物理性能的评估
，具体涉及一种多组分材料力学性能的各向异性分析方法。

技术介绍

[0002]对于多组分材料，由于其内部微观结构的存在，力学性能多呈现出各向异性的特点。在研究包含固相结构材料的力学行为时，人们普遍认为体积分数是局部结构的必要几何度量。如泡沫铝、地质材料、多孔玻璃、烧结材料和松质骨。然而大多数多组分材料伴随着微结构分布的方向性特点，需要对局部微结构的定向行为进行更加全面的描述。
[0003]以往研究中对多组分材料各向异性的量化大多采用有损的方式进行，如：对沥青混合料进行连续切割，观测切片的横截面形貌；或通过实验对岩石不同方向的材料性能进行对比，进而反推材料的各向异性等。而建立微观结构与宏观力学性能的对应关系则需要对同一样本既要进行微观结构的描述，又要进行宏观力学性能的实验研究。因此对材料各向异性的无损量化方法十分重要。在对松质骨的各向异性研究中，有学者基于micro
‑
CT图像采集松质骨的微观结构特点，发展出了平均截距长度(MIL)量化松质骨各向异性的方法。但该方法需要基于清晰的微结构边界线，对图像质量要求较高，且对图像噪声高度敏感，计算成本也相对较高，并不适用所有的多组分材料。
[0004]总上所述，有必要对现有技术做进一步创新。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种多组分材料力学性能的各向异性分析方法，可以有效分析多组分材料的主方向及各向异性程度，计算准确、便捷、灵活性强、适用范围广，且对图像噪声的敏感性低，可为多组分材料的力学性能研究提供依据。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种多组分材料力学性能的各向异性分析方法,基于micro
‑
CT图像，对多组分材料内部微结构进行散点化处理，以微结构的散点模型为依据判断多组分材料的主要方向及各向异性程度。
[0007]所述多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其中：所述对多组分材料内部微结构进行散点化处理主要是将多组分材料的微结构几何特征依据micro
‑
CT体素点坐标进行散点化处理。
[0008]所述多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其中，所述对多组分材料内部微结构散点化处理的具体步骤如下：
[0009](1.1)首先利用micro
‑
CT扫描获取多组分材料内部微结构；
[0010](1.2)对micro
‑
CT数据进行图像分割，设置灰度值阈值，将材料的主要组分分离出来，建立单独的灰度值蒙板；
[0011](1.3)提取材料的主要组分的灰度值蒙板包含的所有体素点的坐标信息，生成坐
标数据文件。
[0012]所述多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其中，所述判断多组分材料的主要方向的方法为：设置代表性圆柱计算域，并确保计算域内各个方向上都应至少包含5个微结构特征胞元；在计算域内设置任意多个随机搜索点，以每个搜索点为起点设置任意多个方向向量；设置主要组分结构体素点分布密度的量化半径；以不同方向、相同半径内的体素点分布密度作为材料主方向的判断标准。
[0013]所述多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其中，所述判断多组分材料的主要方向的具体步骤如下：
[0014](2.1)在材料内部选取代表性圆柱体作为计算域，选择代表性圆柱体尺寸时应保证该代表性圆柱体内各个方向上都应至少包含主要组分微结构的5个特征胞元；
[0015](2.2)在计算域内随机布置Pn个点，作为随机搜索点，以每个搜索点为起点设置N
×
N个均匀分布的向量作为材料第一主方向的搜索向量；
[0016](2.3)将与每个搜索向量所在直线距离小于r的体素坐标点计数，作为该搜索点该方向下的体素点数，其中搜索半径r的确定应遵循：r＝Th+Sp/2，其中，Th为主要组分几何特征尺寸，Sp为其他组分几何特征尺寸；
[0017](2.4)将体素点数除以该直线被代表性圆柱体所截长度，作为该搜索点该方向下的体素点密度；
[0018](2.5)判断体素点密度最大的方向e1，该方向即为材料的第一主方向，此时的点密度ρ1为该方向的体素点密度，将此时的搜索点确定为后续计算的唯一搜索点；
[0019](2.6)以上述唯一搜索点为中心，在与材料第一主方向e1垂直的平面内布置M个均匀分布的向量作为材料第二主方向的搜索向量；
[0020](2.7)重复步骤(2.3)
‑
(2.4)，确定体素点密度最大的方向即为材料的第二主方向e2，此时的点密度ρ2为该方向的体素点密度；
[0021](2.8)将材料的第一主方向e1和材料的第二主方向e2叉乘得到材料的第三主方向e3，将材料的第三主方向e3作为搜索向量，重复步骤(2.3)
‑
(2.4)，得到该方向的体素点密度ρ3。
[0022]所述多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其中，所述判断多组分材料的各向异性程度主要是对各向异性程度的量化分析，主要方法为：定义多组分材料的各向异性程度DA：
[0023]DA＝1
‑
ρ3/ρ1；
[0024]其中，ρ1为第一主方向的主要组分体素点密度，ρ3为第三主方向的主要组分体素点密度；此时的各向异性程度为归一化后的结果(0≤DA＜1)；当DA为0时，则表明该材料为完全各向同性。
[0025]采用上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：
[0026]本专利技术多组分材料力学性能的各向异性分析方法构思合理，以材料内部微结构的几何特征作为引起材料各向异性的主要因素进行各向异性的量化分析，包括材料主方向的判断和各向异性程度的量化，不仅无损、快速、准确，而且适用于多种材料，对图像噪声的敏感性低，计算准确、便捷、灵活性强、适用范围广，为多组分材料的力学性能研究提供依据。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为本专利技术多组分材料力学性能的各向异性分析方法中微结构的散点化处理示意图；
[0029]图2为本专利技术多组分材料力学性能的各向异性分析方法的搜索向量示意图；
[0030]图3为本专利技术多组分材料力学性能的各向异性分析方法的方向判断示意图；
[0031]图4为本专利技术多组分材料力学性能的各向异性分析方法的材料第二主方向搜索平面；
[0032]图5为本专利技术多组分材料力学性能的各向异性分析方法的材料的三个主方向判断结果示意图。
[0033]备注：1
‑
材料的主要组分、2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其特征在于,基于micro
‑
CT图像，对多组分材料内部微结构进行散点化处理，以微结构的散点模型为依据判断多组分材料的主要方向及各向异性程度。2.如权利要求1所述的多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其特征在于：所述对多组分材料内部微结构进行散点化处理主要是将多组分材料的微结构几何特征依据micro
‑
CT体素点坐标进行散点化处理。3.如权利要求1或2所述的多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其特征在于，所述对多组分材料内部微结构散点化处理的具体步骤如下：(1.1)首先利用micro
‑
CT扫描获取多组分材料内部微结构；(1.2)对micro
‑
CT数据进行图像分割，设置灰度值阈值，将材料的主要组分分离出来，建立单独的灰度值蒙板；(1.3)提取材料的主要组分的灰度值蒙板包含的所有体素点的坐标信息，生成坐标数据文件。4.如权利要求1所述的多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其特征在于，所述判断多组分材料的主要方向的方法为：设置代表性圆柱计算域，并确保计算域内各个方向上都应至少包含5个微结构特征胞元；在计算域内设置任意多个随机搜索点，以每个搜索点为起点设置任意多个方向向量；设置主要组分结构体素点分布密度的量化半径；以不同方向、相同半径内的体素点分布密度作为材料主方向的判断标准。5.如权利要求1或4所述的多组分材料力学性能的各向异性分析方法,其特征在于，所述判断多组分材料的主要方向的具体步骤如下：(2.1)在材料内部选取代表性圆柱体作为计算域，选择代表性圆柱体尺寸时应保证该代表性圆柱体内各个方向上都应至少包含主要组分微结构的5个特征胞元；(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王君，郇勇，王琮文，李钰，冯义辉，马寒松，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：