CN104063902A - 一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，该方法通过对SEM扫描图片进行各种数字图像技术处理，并经过由位图到矢量图的转化，可以将真实微观结构映射到二维有限元模型中。本发明利用阈值分割，灰度处理，二值化处理，反复开关闭合操作，位图转化为矢量图的技术，可以将图像中所表现的缺陷或者增强体清楚的与基体分割开来，并且可以在有限元软件中分开定义其属性。本发明直接通过SEM图像构建出精度较高的真实微观结构的有限元模型，将数字模型向真实结构靠拢，提高了有限元模型在计算过程，以及计算结果中的真实性！本发明可以广泛运用在考虑缺陷，或者异质材料性能评判的优化设计领域。

Description

一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法

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：

1)将步骤（2）中导出的图片导入到CorelDraw软件中；

2)点击编辑位图选项，在其中描摹位图选项中选择轮廓描摹中的线条图，将缺陷或者夹杂的外轮廓表现出来；

3)调节设置选项中的细节、平滑、拐角平滑度选项观察参数变化对图片细节的影响，选择最合适的参数，然后点击确定，CorelDraw会将缺陷或者夹杂的轮廓在细化圆滑处理之后输出；

4)最后通过CorelDraw导出为绘图软件AutoCAD所兼容的*.dwg或者*.dxf格式，为下一步放入有限元软件中做准备。

所述步骤（4）按照以下方法进行：

1)通过CorelDraw获得的*.dwg或者*.dxf格式的矢量图先在AutoCAD中打开，点击AutoCAD下工作窗口中的layout1或者Layout2，另存为*.dwg或者*.dxf；

2)打开UG绘图软件，将上步所得到的*.dwg或者*.dxf的文件导入到UG里面，对图形进行修改，去掉多余的边；

3)在UG中导出为*.igs、*.CATIA V5、*.sat格式，为下一步导入有限元软件中做准备。以ABAQUS或Ansys有限元软件为实验对象，步骤（5）按以下方法进行：A.打开ABAQUS的sketch模块，导入上步生成的*.sat格式文件，可以在sketch中看到所得到的微观结构矢量图，并且可再操作添加或者删减线,之后通过建立part由sketch导入二维模型，之后划分网格。

B.打开ANSYS软件，导入步骤（4)中所生成的*.sat格式文件，因为导入为线，因此先通过Preprocessor/Modeling/Creat/Areas生成面，再通过划分网格命令对所得二维面进行网格划分。

对比现有的对含有夹杂或者缺陷的材料的有限元建模方法，本发明的优点在于：

一、通过SEM获取材料的显微结构，选择具有代表性的区域进行数字图像处理。能够将材料中的夹杂物轮廓清晰的表现出来。通过位图到矢量图的转变，能够将材料中的各种夹杂在有限元软件中完全的表现出来，运用此方法进行建模，所得模型更加具有说服力。

二、通过Photoshop和CorelDraw强大的图像处理技术，能够有效的抑制图像中的噪点，忽略掉微小的缺陷，并且能够圆滑轮廓边缘，使得在有限元计算过程中能够避免奇异点的出现。

三、成熟的软件功能，以及清晰明了的软件操作界面也能使更多缺乏计算机编程技术的人员，很快接受这种方法，节省了大量前处理时间，使得这一方法的推广成为可能。

附图说明

图1 建立真实微观有限元模型流程图；

图2 原始SEM显微照片；

图3 截取代表性区域；

图4 灰度处理图片；

图5 阈值分割二值化图片；

图6 图像去噪处理图片；

图7 CorelDraw轮廓提取操作界面；

图8 描摹位图获得轮廓线条图；

图9 AutoCAD导出为*.dxf格式界面；

图10 UG导出为CATIA V5格式界面；

图11 ABAQUS中sketch模块情况；

图12 ABAQUS中划分网格情况；

图13 Ansys中生成面情况；

图14 Ansys中划分网格情况。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明是属于有限元建模前处理部分，结合数字图像处理技术，以及位图转换为矢量图的技术。在材料的真实微观结构的基础上，将材料组织中的微孔洞和夹杂表现在数值模拟中。主要用到的辅助软件有：Photoshop,CorelDraw,AutoCAD,UG,Ansys,ABAQUS等。本发明跳过繁琐的编程过程，直接在现有成熟软件的基础上进行操作，操作简单，容易被初学者所接受。下面就航天发动机涡轮叶片上涂覆的APS-TBCs(热障涂层)材料做一分析。

APS-TBCs(等离子喷涂热障涂层)在生产的过程中，由于是材料是一层层堆垛起来的，因此在层与层之间会产生大量的孔洞，相关研究表明，APS-TBCs中的孔隙率可以达到10-15%,这些空洞的存在使得热障涂层的力学性能发生改变，过高的孔隙率会造成热障涂层的杨氏模量的下降，使其受载能力下降。在热障涂层服役环境中，可能还会受到来自外部颗粒的撞击，这些空洞的存在对撞击所产生的微裂纹的扩展也有很大的影响。因此研究孔洞的形貌以及孔隙率对热障涂层的寿命预测起着重要的作用！现阶段除了实验之外，数值模拟被大量应用在科学研究中。如何将涂层中孔洞的形貌与有限元结合起来，看起来尤为重要。按照本专利的方法，我们将建立含有真实孔洞形貌的有限元模型。具体步骤如下：

建模的整个流程图如图1所示。

（1）利用SEM扫面电子显微镜获取所研究的某型号APS-TBCs微观组织形貌，将其保存为数字图像模式，如图2所示；

(2）截取所要研究的热障涂层陶瓷曾区域，如图3所示。利用Photoshop图像处理软件对所获得的截图进行灰度处理，按照图中标尺，确定图片的尺寸为155*388(相对尺寸)如图4。

再对图像进行阈值分割，将图像变化为二值图，如图5所示，其中黑色代表原始的孔洞部分，白色代表陶瓷。这样获得的图片中有大量的细小的缺陷以及图片产生时引入的噪点，对图5进行开关闭合操作等减少微小缺陷或细小杂质，清晰表现主要孔洞缺陷，结果如图6所示，图中微小黑点已经被腐蚀或者删除，只留下大的孔洞。将图6保存为*.jpg格式。

这一步骤在图像处理软件Photoshop中操作完成。

(3）在CorelDraw中打开图6，点击描摹位图选项，选择其中的轮廓描摹中的线条图选项，在其中进行轮廓的提取。并对轮廓进行圆滑处理，减少大角度拐角的出现，具体操作见图7，这样操作的好处是，提高划分网格的质量，控制奇异点的出现。将所得到的轮廓线条图以CorelDraw导出格式*.dxf或者*.Dwg格式输出。所得到轮廓图像如图8所示。

这一步骤在绘图软件CorelDraw中操作完成。

(4）对步骤(3)所获得的矢量图因为格式不统一还不能直接放在有限元软件中，需要导入到AutoCAD中另存为*.dxf或者*.Dwg格式，在AutoCAD中亦可对图形进行修改，删除那些微小的缺陷，修改之后如图9。此时已经完成位图到矢量图的转换，而且可以被有限元软件Ansys所兼容。再次将步骤3)所获得的图导入到UG中，输出为ABAQUS所能兼容的CATIA V5和*.sat格式，如图10。至此有限元前期工作已经完成。这一步骤以AutoCAD和UG配合完成。

(5)将所得到的矢量图放入到有限元软件比如ANSYS或者ABAQUS中划分网格。

A.打开ABAQUS的sketch模块，导入上步生成的*.sat格式文件，可以在sketch中看到所得到的微观结构矢量图，并且可再操作添加或者删减线。如图11所示；

网格划分情况如图12，这里只做参考。选择全局布种，尺寸为2，网格类型为CPE4R。也可局部细化，在此不再做说明。

B.打开ANSYS软件，导入4)中所生成的*.sat格式文件，因为导入为线，因此先通过Preprocessor/Modeling/Creat/Areas生成面，如图13所示；再通过划分网格命令对所得二维面进行网格划分，划分效果如图14所示。

以上有限元建模过程是针对陶瓷体与其中孔洞之间所做的有限元建模。同样的方法可以适用于颗粒增强体中对增强体真实形貌的描述。且该种方法也适用于其他有限元软件，适应性强做法灵活。

经以上的讨论分析，本发明直接在材料真实微观组织形貌的基础上建立了有限元模型，保留了其结构中大的缺陷去除了微小孔洞的影响，边缘圆滑处理更能提升网格质量。该发明以各软件之间的支持为平台，将传统繁琐的编程过程简化为软件界面化操作，方便更多计算机编程技术薄弱的工作人员使用。

Claims (7)

1.一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1中所述的一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，其特征在于所述步骤（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。

3.根据权利要求1所述的一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，其特征在于所述步骤（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；

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。

4.根据权利要求1所述的一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，其特征在于所述步骤（3）按照以下方法进行：

1)将步骤（2）中导出的图片导入到CorelDraw软件中；

2)点击编辑位图选项，在其中描摹位图选项中选择轮廓描摹中的线条图，将缺陷或者夹杂的外轮廓表现出来；

3)调节设置选项中的细节、平滑、拐角平滑度选项观察参数变化对图片细节的影响，选择最合适的参数，然后点击确定，CorelDraw会将缺陷或者夹杂的轮廓在细化圆滑处理之后输出；

4)最后通过CorelDraw导出为绘图软件AutoCAD所兼容的*.dwg或者*.dxf格式，为下一步放入有限元软件中做准备。

5.根据权利要求1所述的一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，其特征在于所述步骤（4）按照以下方法进行：

1)通过CorelDraw获得的*.dwg或者*.dxf格式的矢量图先在AutoCAD中打开，点击AutoCAD下工作窗口中的layout1或者Layout2，另存为*.dwg或者*.dxf；

2)打开UG绘图软件，将上步所得到的*.dwg或者*.dxf的文件导入到UG里面，对图形进行修改，去掉多余的边；

3)在UG中导出为*.igs、*.CATIA V5、*.sat格式，为下一步导入有限元软件中做准备。

6.根据权利要求1所述的一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤（5）按照以下方法进行：此步骤在有限元软件ABAQUS中进行,打开ABAQUS的sketch模块，导入上步生成的*.sat格式文件，在sketch中看到所得到的微观结构矢量图，再操作添加或者删减线，之后通过建立part由sketch导入二维模型，然后划分网格。

7.根据权利要求1所述的一种基于材料真实微观组织结构的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤（5）按照以下方法进行：此步骤在有限元软件Ansys中进行,打开ANSYS软件，导入步骤(4)中所生成的*.sat格式文件，通过Preprocessor/Modeling/Creat/Areas生成面，再通过划分网格命令对所得二维面进行网格划分。