复合材料三维重构及力学性能的有限元数值分析

论文摘要

复合材料细观力学的核心任务是建立复合材料宏观性能及其组分和细观结构之间的定量关系。进行复合材料细观力学研究首先需要引入复合材料代表单元的概念（RVE）。目前的复合材料有限元细观力学研究绝大部分是建立在将增强相简化为球形，椭球或六面体等规则的几何形状的基础上，这种简化为复合材料的有限元细观力学理论体系的建立发挥了巨大的作用。但是对于微观结构非常复杂的颗粒增强，特别是增强相和基体发生了反应的复合材料，采用传统的有限元细观力学进行宏细观力学性能的分析，其结果就不一定十分正确。随着计算机科学技术的发展，特别是科学计算可视化技术的进步，复合材料的微观结构就可以运用科学计算可视化技术呈现在人们面前。三维重构技术很早以来就已经应用在医学领域，而且取得了很大的成功。但是在材料科学领域，起步较晚，尤其是国内更晚。即使在国外，采用三维重构技术获得材料的微观形貌，采用的也多是医学或者通用的软件，而针对材料科学领域开发的三维重构软件，还少之又少。 本文基于这种现状，系统研究了复合材料科学的三维重构技术，并将其与复合材料有限元细观力学相结合，建立了基于真实微观结构的复合材料有限元细观力学模型，并将该模型预测的复合材料有效性能和基于规则几何体的复合材料有限元细观力学模型预测的有效性能进行了比较，结果表明本文建立的模型的预测结果更接近实验结果，且误差很小。 本文具体做了以下工作： 采用序列切片方法，获得了颗粒增强复合材料的序列显微图像，通过单轴拉伸实验获取了SiC／Al复合材料的应力-应变曲线。为了解决在高倍显微镜下获取的显微图像视野较小的问题，对复合材料显微图像进行了基于特征点提取的自动拼接。采用Harris算子和Canny算子提取两幅待配准显微图像的特征点，采用互相关方法获取得到相对应的特征点序列，然后进行基于特征点序列的SVD-ICP配准，确定精确的对应关系，拼接这两幅显微图像得到过渡光滑自然，达到无缝拼接要求的足够大的复合材料显微图像。 研究了获取复合材料第二相颗粒轮廓的方法。利用小波多分辨率原理对复合材料第二相颗粒的边缘进行了检测，从高分辨率到低分辨率逐步搜索边缘，最后得出边缘位置准确的轮廓图。针对小波边缘检测方法获取的颗粒边缘不连续的缺点，在灰度复杂的金相显微照片中即使GVF Snake算法仍要求初始轮廓必须靠近颗粒边缘的情况下，提出了一种新的Snake初始轮廓的定义方法。该方法利用B样条插值和重采样技术，在利用小

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 金属基复合材料的力学研究模型
• 1.1.1 分析法
• 1.1.2 有限元方法
• 1.1.3 颗粒增强金属基复合材料有限元计算细观力学的研究现状
• 1.2 复合材料的可视化研究
• 1.2.1 体视学方法
• 1.2.2 材料微观结构的三维重构
• 1.3 SiC/Al金属基复合材料
• 1.3.1 SiC/Al金属基复合材料制备
• 1.3.2 SiC/Al金属基复合材料界面
• 1.4 本课题的提出和研究内容
• 1.4.1 课题的提出和研究目的
• 1.4.2 课题的技术路线和研究内容
• 第二章 SiC/Al复合材料序列图像的获取及性能试验
• 2.1 SiC/Al复合材料序列图像的获取
• 2.2 SiC/Al复合材料性能试验
• 2.3 本章小结
• 第三章 复合材料二维图像轮廓的获取方法研究
• 3.1 图像的初步处理—图像的拼接
• 3.1.1 图像特征点的提取
• 3.1.2 基于特征点匹配的图像重叠部分的配准
• 3.1.3 拼接的实验结果
• 3.2 小波变换及边缘检测
• 3.2.1 用于图像的小波多分辨率分析
• 3.2.2 小波变换的边缘提取理论
• 3.2.3 复合材料第二相颗粒边缘提取
• 3.3 B样条插值表示物体的轮廓
• 3.3.1 B样条的定义
• 3.3.2 对轮廓数据进行插值处理
• 3.3.3 对轮廓数据的采样
• 3.4 动态轮廓模型的原理和GVF动态轮廓模型
• 3.4.1 动态轮廓模型的原理
• 3.4.2 GVF Snake模型
• 3.5 动态轮廓模型获取颗粒轮廓
• 3.5.1 动态轮廓模型初始轮廓的获取
• 3.5.2 采用GVF动态轮廓模型获取颗粒的轮廓
• 3.6 颗粒轮廓的自由曲线逼近
• 3.6.1 能量法进行颗粒曲线的光顺
• 3.6.2 对轮廓数据的采样
• 3.6.3 周期非均匀B样条曲线逼近
• 3.7 本章小结
• 第四章 复合材料的三维拓扑重构
• 4.1 序列图像的初步配准
• 4.1.1 不变矩
• 4.1.2 基于不变矩的配准
• 4.2 图像的整体配准
• 4.2.1 基于最大熵和互信息最大化的点配准
• 4.2.2 配准结果
• 4.3 相邻图像间距的测定
• 4.3.1 水平集方法的基本原理
• 4.3.2 测地线主动轮廓
• 4.3.3 水平集数值实现的窄带方法
• 4.3.4 利用维式显微硬度仪测量层间距的原理
• 4.3.5 利用测地线动态轮廓来测量两层图像的层间距
• 4.4 颗粒的拾取
• 4.5 本章小结
• 第五章 复合材料的几何重构
• 5.1 序列样条曲线的相容
• 5.1.1 柔性间距
• 5.1.2 节点插入
• 5.1.3 在逼近条件下的序列轮廓公共节点矢量的确定
• 5.1.4 逼近条件下的依据公共节点矢量的轮廓
• 5.2 颗粒构建及颗粒显示
• 5.3 本章小结
• 第六章 基于真实微观结构的复合材料力学性能有限元分析
• 6.1 复合材料的有效弹性模量
• 6.2 利用分析结构模型计算复合材料的有效弹性模量
• 6.3 利用基于微观结构的有限元模型计算复合材料的有效模量
• 6.3.1 仿真模型
• 6.3.2 仿真结果
• 6.4 实验与仿真结果的分析讨论
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表