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

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.本发明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：
7.获取待测材料的原始微观结构图像；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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。
12.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。
13.进一步的，采用如下方式确定用于图像二值化的阈值：
14.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；
15.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：
16.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；
17.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；
18.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；
19.s104：计算阈值zt与平均值zt1的差值的绝对值，即|zt1-zt|；
20.若|zt1-zt|》0.1，则将zt1赋值给阈值zt，并重新回到步骤s102；
21.若|zt1-zt|≤0.1，则输出阈值zt作为用于图像二值化的阈值。
22.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。
23.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。
24.进一步的，材料属性包括力学性能、热学性能、电学性能。
25.进一步的，在oof2软件中赋予材料属性与划分网格。
26.本发明还提供一种材料性能仿真方法，将采用本发明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。
27.进一步的，采用abaqus软件进行仿真。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
29.1.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，本发明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。
30.2.本发明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。
31.3.本发明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。
32.4.本发明处理流程简单，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。
33.5.本发明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
34.图1为具体实施方式中的材料性能仿真方法的流程图；
35.图2为实施例中原始材料微观结构图像；
36.图3为实施例中二值化处理后图像；
37.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；
38.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；
39.图6为图5的局部放大图；
40.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；
41.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
42.由于本发明的材料性能仿真方法包含材料微观结构有限元网格模型的构建方法，因此本具体实施方式以材料性能仿真方法为例进行说明。
43.下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
44.如图1所示，一种材料性能仿真方法，包括以下步骤：
45.s1：获取待测材料的原始微观结构图像；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。
46.s2：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。
47.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。
48.优选的，采用如下方式确定用于图像二值化的阈值：
49.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；
50.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：
51.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；
52.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；
53.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；
54.s104：计算阈值zt与平均值zt1的差值的绝对值，即|zt1-zt|；
55.若|zt1-zt|》0.1，则将zt1赋值给阈值zt，并重新回到步骤s102；
56.若|zt1-zt|≤0.1，则输出阈值zt作为用于图像二值化的阈值。
57.s3：将二值化图像导入oof2软件，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。
58.优选的，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，使图像不同材料部分呈现更清晰的对比效果。
59.s4：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，材料属性包括力学性能、热学性能、电学性能，从而得到材料微观结构有限元几何模型。
60.s5：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。oof2软件自带网格细化功能，通过人机交互操作完成网格的划分，直到达到满意效果，界面网格的轮廓与原始微观结构图像上的两相界面的轮廓基本一致。
61.s6：导出所述材料微观结构有限元网格模型：将oof2软件导出的文本文件改为inp文件。
62.s7：将所述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：打开有限元分析软件导入inp文件，即可得到划分好网格的有限元模型，在abaqus软件中进行后续仿真设置，如边界条件、载荷等，以实现所需性能的仿真分析。
63.实施例
64.以某款橡胶复合材料微观结构图像——扫描电镜图像为例，原始微观结构图像如图2所示。
65.首先对原始微观结构图像进行二值化处理，得到图3，对比图3与图2，可知处理后得到的二值图像与原始微观结构图像在分散相的几何形状上几乎没有结构差异。
66.然后，将二值化后的图像导入oof2软件，增强图像对比度，通过设置不同灰度值范围对图像黑色和白色像素点进行选择，分别建立第一像素组bs10和第二像素组bs2。接着，根据bs10和bs2材料属性建立材料及属性，将属性赋予材料，将材料赋予像素组，最后，划分网格，保存模型。
67.最后，将oof2导出的文本文件改成inp文件，使用有限元分析软件打开inp文件，材料微观结构有限元几何模型和材料微观结构有限元网格模型分别如图4和图5所示。有限元网格模型的局部放大图如图6所示，从图6中可以看到围绕分散相材料几何轮廓的界面网格非常细密，而非界面网格较为稀疏。
68.界面网格细密，为有限元分析进行数值模拟提供了更多节点，能够有效提高模拟精度。非界面区域的网格较为稀疏，有利于降低有限元模拟过程中的计算量，提高模拟效率。
69.固定材料微观结构有限元网格模型左边不动，对模型x轴方向进行100％单轴拉伸，提交作业，得到100％单轴拉伸工况下应力及应变分布，分别如图7和图8所示。
70.基体相与分散相相比有较大的变形量，尤其在距离较近的分散相之间的基体区域。同样，在距离较近的分散相之间，基体相的应力值也达到最大，与橡胶复合材料界面间的基体相区域存在较大的受力和变形的结果一致。应力及应变分布云图能够直观显示复合
材料不同相区的性能差异，为材料性能分析提供除实验测试外的另一可能。
71.综上，本发明能够很好地实现基于材料微观结构图像对有限元分析模型的精确建立。
72.上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

技术特征：
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；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；s104：计算阈值zt与平均值zt1的差值的绝对值，即|zt1-zt|；若|zt1-zt|>0.1，则将zt1赋值给阈值zt，并重新回到步骤s102；若|zt1-zt|≤0.1，则输出阈值zt作为用于图像二值化的阈值。4.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，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。5.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，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。6.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，材料属性包括力学性能、热学性能与电学性能。7.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，在oof2软件中赋予材料属性与划分网格。8.一种材料性能仿真方法，其特征在于，将采用权利要求1～7任一所述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。9.根据权利要求8所述的材料性能仿真方法，其特征在于，采用abaqus软件进行仿真。

技术总结
本发明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。本发明能够兼顾仿真精度与仿真效率。发明能够兼顾仿真精度与仿真效率。发明能够兼顾仿真精度与仿真效率。


技术研发人员：李凡珠 张亚茹 张强 刘军 张立群
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2022.11.17
技术公布日：2023/7/31