材料微观结构有限元网格模型构建方法及其性能仿真方法技术

本发明专利技术涉及图像建模及有限元仿真分析领域，为解决网格划分精度不足的技术问题，提供一种材料微观结构有限元网格模型构建方法及其性能仿真方法，对原始微观结构图像进行二值化处理得到二值化图像；根据灰度值对所述二值化图像进行像素分组；将分散相材料属性、基体相材料属性分别赋予第一像素组与第二像素组；根据第一像素组与第二像素组的像素边界划分网格：每当网格线与像素边界相交时，便细化像素边界附近的网格，而远离像素边界的网格则不进行细化，直到全部像素边界附近的网格均得到细化，形成围绕分散相材料几何轮廓的界面网格，从而得到材料微观结构有限元网格模型。本发明专利技术能够兼顾仿真精度与仿真效率。发明专利技术能够兼顾仿真精度与仿真效率。发明专利技术能够兼顾仿真精度与仿真效率。

【技术实现步骤摘要】
材料微观结构有限元网格模型构建方法及其性能仿真方法


[0001]本专利技术涉及图像建模及有限元仿真分析领域，具体涉及材料微观结构有限元网格模型构建方法及其性能仿真方法。

技术介绍

[0002]材料的微观结构影响其物理和化学性能，研究其微观结构是调控和设计材料的重要途径。目前，多用于研究材料性能的方法有实验和仿真模拟，实验能够得到直观的数据和结果，但由于其受实验环境影响，时间和材料成本高等因素，越来越多的仿真模拟被用于材料性能研究，有限元分析便是其中的一种方法。
[0003]有限元分析是求解偏微分方程初边值问题的一种数值模拟方法。其方法的核心是结构的离散化。通过将研究对象的结构离散化，划分成网格进行分析，每一个网格称为一个“单元”，单元与单元相互联接的点称为“节点”；然后将模型结构的目标变量转化为每一个节点的变量，根据所提供的平衡方程，利用数值分析等方法解出相应的代数方程组从而求得每一个节点的变量结果，即可得出最终的数值结果。有限元分析由3个步骤组成：前处理、计算求解和后处理。前处理包括建立几何模型，添加材料属性，为结构划分网格并设置边界条件等，计算过程交给求解器，后处理主要是输出计算的结果，输出力
‑
位移曲线、应力
‑
应变曲线等。建立精确的有限元模型是获得高准确度仿真结果的必要条件。
[0004]随着有限元仿真分析技术的发展，越来越多的材料学者使用有限元仿真方法研究材料的力学、热学、电学等性能。然而，构建精确的材料微观结构有限元模型存在诸多困难，尤其是网格划分精度不足，往往无法在仿真实验中真实再现材料内部的微观结构情况，并且大多有限元模型的建立基于理想化假设，往往无法预测材料的真实性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种材料微观结构有限元网格模型的构建方法，解决网格划分精度不足的技术问题。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种材料微观结构有限元网格模型构建方法，包括以下步骤：
[0007]获取待测材料的原始微观结构图像；
[0008]对所述原始微观结构图像进行二值化处理得到二值化图像，在所述二值化图中分散相材料的几何形状在基体相材料中得到凸显；
[0009]根据灰度值对所述二值化图像进行像素分组，从而得到两个像素组，第一像素组由分散相材料所对应的像素构成，第二像素组由基体相材料所对应的像素构成；
[0010]将分散相材料属性、基体相材料属性分别赋予第一像素组与第二像素组，从而得到材料微观结构有限元几何模型；
[0011]根据第一像素组与第二像素组的像素边界对所述材料微观结构有限元几何模型划分网格：每当网格线与像素边界相交时，便细化像素边界附近的网格，而远离像素边界的
网格则不进行细化，直到全部像素边界附近的网格均得到细化，形成围绕分散相材料几何轮廓的界面网格，从而得到材料微观结构有限元网格模型。
[0012]进一步的，采用阈值比较法对原始微观结构图像进行二值化：若像素点的灰度值大于等于阈值则将该像素点的灰度重新赋值为255，若像素点的灰度值小于阈值则将该像素点的灰度重新赋值为0。
[0013]进一步的，采用如下方式确定用于图像二值化的阈值：
[0014]S101：阈值初始化：将原始微观结构图像的灰度图F(x,y)的平均灰度值赋值给阈值Zt；
[0015]S102：遍历灰度图F(x,y)，将每个像素点的灰度值与阈值Zt进行比较：
[0016]若像素点的灰度值大于等于阈值Zt，则将该像素点分配给灰度组S1，统计灰度值大于等于初始阈值Zt的像素点个数N1；
[0017]若像素点的灰度值小于阈值Zt，则将该像素点分配给灰度组S0，统计灰度值小于阈值Zt的像素点个数N0；
[0018]S103：计算灰度组S1的灰度值的平均值Zj，并计算灰度组S0的灰度值的平均值Zi，计算Zj与Zi的平均值Zt1；
[0019]S104：计算阈值Zt与平均值Zt1的差值的绝对值，即|Zt1
‑
Zt|；
[0020]若|Zt1
‑
Zt|>0.1，则将Zt1赋值给阈值Zt，并重新回到步骤S102；
[0021]若|Zt1
‑
Zt|≤0.1，则输出阈值Zt作为用于图像二值化的阈值。
[0022]进一步的，原始微观结构图像为以下图像中的任意一种：扫描电子显微镜图像、透射电子显微镜图像、原子力显微镜图像、扫描隧道显微镜图像及光学显微镜图像。
[0023]进一步的，在对二值化图像进行像素分组前，对图像进行标准化处理和对比度调整。
[0024]进一步的，材料属性包括力学性能、热学性能、电学性能。
[0025]进一步的，在OOF2软件中赋予材料属性与划分网格。
[0026]本专利技术还提供一种材料性能仿真方法，将采用本专利技术的材料微观结构有限元网格模型构建方法所获取的材料微观结构有限元网格模型导入有限元分析软件中进行仿真试验。
[0027]进一步的，采用ABAQUS软件进行仿真。
[0028]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0029]1.异相材料的微观结构具有不同的几何形状，现有技术在划分网格时忽略了异相材料之间的界面，简单的统一划分网格。然而，界面区域的网格精度对于仿真试验的精度具有关键作用，本专利技术通过像素分组得到的像素边界反应了异相材料(分散相与基体相)之间的界面，基于像素边界进行网格划分得到的界面网格，使界面区域的网格大大细化，网格节点大大增多，不仅使网格模型的精度提升，而且是有限元仿真精度的重要保障。
[0030]2.本专利技术方法使得非界面区域的网格保持一定的稀疏性，有利于降低有限元模拟过程中的计算量，提高模拟效率。
[0031]3.本专利技术采用遍历循环方法优化用于图像二值化的阈值，能够更加准确的区分分散相与基体相，提高对像素边界的刻画精度。
[0032]4.本专利技术处理流程简单，网格划分完成后即可得到材料微观结构有限元网格模
型，无需像素合并、图像裁切等后处理操作。
[0033]5.本专利技术对原始微观图像的类型没有限制，具有良好的兼容性。
附图说明
[0034]图1为具体实施方式中的材料性能仿真方法的流程图；
[0035]图2为实施例中原始材料微观结构图像；
[0036]图3为实施例中二值化处理后图像；
[0037]图4为实施例中基于材料微观结构图像建立的有限元几何模型；
[0038]图5为实施例中基于材料微观结构图像建立的有限元网格模型；
[0039]图6为图5的局部放大图；
[0040]图7为实施例中100％单轴拉伸工况下应力分布的仿真效果图；
[0041]图8为实施例中100％单轴拉伸工况下应变分布的仿真效果图。
具体实施方式
[0042]由于本专利技术的材料性能仿真方法包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种材料微观结构有限元网格模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：获取待测材料的原始微观结构图像；对所述原始微观结构图像进行二值化处理得到二值化图像，在所述二值化图中分散相材料的几何形状在基体相材料中得到凸显；根据灰度值对所述二值化图像进行像素分组，从而得到两个像素组，第一像素组由分散相材料所对应的像素构成，第二像素组由基体相材料所对应的像素构成；将分散相材料属性、基体相材料属性分别赋予第一像素组与第二像素组，从而得到材料微观结构有限元几何模型；根据第一像素组与第二像素组的像素边界对所述材料微观结构有限元几何模型划分网格：每当网格线与像素边界相交时，便细化像素边界附近的网格，而远离像素边界的网格则不进行细化，直到全部像素边界附近的网格均得到细化，形成围绕分散相材料几何轮廓的界面网格，从而得到材料微观结构有限元网格模型。2.根据权利要求1所述的材料微观结构有限元网格模型构建方法，其特征在于，采用阈值比较法对原始微观结构图像进行二值化：若像素点的灰度值大于等于阈值则将该像素点的灰度重新赋值为255，若像素点的灰度值小于阈值则将该像素点的灰度重新赋值为0。3.根据权利要求2所述的材料微观结构有限元网格模型构建方法，其特征在于，采用如下方式确定用于图像二值化的阈值：S101：阈值初始化：将原始微观结构图像的灰度图F(x,y)的平均灰度值赋值给阈值Zt；S102：遍历灰度图F(x,y)，将每个像素点的灰度值与阈值Zt进行比较：若像素点的灰度值大于等于阈值Zt，则将该像素点分配给灰度组S1，统计灰度值大于等于初始阈值Zt的像素点个数N1；若像素点的灰度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凡珠，张亚茹，张强，刘军，张立群，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：