分均一区域的图像分辨率，每次完整的扫描为一个循环， 不断循环降低目标区域的图像分辨率；每个循环内，降低分辨率的区域需要留有与原有分 辨率区域连接的过渡区域，过渡区域内不能再降低分辨率。
[0043] 所述第五步中，对于所有非过渡区域的像素，直接根据像素的归类和位置信息构 建有限元单元，像素的顶点对应节点的位置；二维网格的单元类型采用正方形单元，三维网 格的单元类型采用正方体单元；对单元体赋予材料属性时，根据图像分析处理后的照片中 该单元的颜色确定该单元的材料属性，认为同一种相或组分有相同的性质。
[0044] 所述第六步中，第四步中留下的过渡区域，用于连接两种不同尺寸的单元，必须要 采用映射型的多边形多面体单元连接上述两种尺度的单元。对于二维网格，一般采用三角 形和梯形网格搭配的方式；对于三维网格，一般采用四面体和六面体搭配的方式。
[0045] 所述第七步中，根据实际情况，对有限元单元和节点加载初始和边界条件进行计 算。
[0046] 以下展示了本发明对于多组分、相材料的二维和三维有限元网格划分方法的合理 性和优越性。
[0047] 实施例1 :对冷喷涂SiC增强的镁合金复合材料的进行二维有限元建模。
[0048] 复合材料通常包含两种以上的组分，该实例展示了本发明对于三种组分的复合材 料的建模，模型中采用了多级别尺度的三角形网格和四边形网格，对于成分单一、粗大的区 域自动生成大网格，而成分复杂、结构细致的区域生成了精细网格。该实例能够验证本发明 对于多组分材料的二维网格划分能力。
[0049] 采用本发明对冷喷涂SiC增强的镁合金复合材料的进行二维有限元建模，包括以 下步骤：
[0050] (1)获取能代表SiC增强的镁合金复合材料结构的二维抛光断面图像，如图2所 示；
[0051] (2)以颜色分析结合形态分析法区分图像中不同的相（或组分），给予不同的组分 不同的颜色，如图3所示，图中黑色代表孔隙，白色为SiC，灰色为镁合金；
[0052] (3)利用本发明的程序，输出有限元命令行语句，以有限元软件执行这些语句，输 出有限元模型，如图4所示。
[0053] 通过本发明构建的模型，经程序自动判断，采用了 7个尺度的单元级别，最大尺度 单元时最小尺度单元长度的27倍。该模型节点数量为89503,单元数量为94135。如果直 接以每个像素为单元构建模型，节点数量为788225，单元数量为786432。对比之下，本发明 能够降低88. 6%的节点数量，88. 0%的单元数量。
[0054] 通过图2计算冷喷涂SiC增强的镁合金复合材料的弹性模量，各组分的力学性能 参数如表1所示。
[0055] 表1 SiC增强的镁合金复合材料各组分力学性能参数
[0057] 表2展示了通过以像素为单元的模型和自适应网格模型计算的结果对比。从表 中可以发现，自适应网格和像素为单元的网格计算结果几乎完全相同，这说明自适应网格 不会影响计算精度。以像素为单元的模型计算耗时为139s，而自适应网格的计算耗时仅为 11s，节省了 92. 1 %的用时。以像素为单元的模型消耗内存为3978MB，而自适应网格的计算 耗时仅为505MB，节省了 87. 3%的内存消耗。
[0058] 表2以像素为单元的模型和自适应网格模型计算的结果对比
[0059]
[0060] 实施例2 :对等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆（YSZ)涂层的进行三维有限元建模。
[0061] 涂层材料通常包含孔隙，孔隙可以认为是一种组分，性质和其俘获的气体相同。该 实例展示了本发明对于包含孔隙的等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆涂层的建模。由于该涂层 的结构均匀程度和精细程度高于前例，因此该模型中只采用了二级尺度的六面体网格和四 面体网格，对于成分单一、粗大的区域使网格的密度降低一半。该实例能够验证本发明对于 多组分材料的三维网格划分能力。
[0062] 采用本发明对等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆涂层的进行三维有限元建模，包括以 下两个步骤：
[0063] (1)重构等离子喷涂的YSZ涂层的三维图像，如图5所示，图中黑色代表孔隙，白色 是 YSZ ;
[0064] (2)利用本发明的程序，输出有限元命令行语句，以有限元软件执行这些语句，输 出有限元模型，如图5所示。
[0065] 通过本发明构建的模型，采用了两个尺度的单元级别，最大尺度单元时最小尺度 单元长度的2倍。该模型节点数量为196039,单元数量为331531。如果直接以每个像素为 单元构建模型，节点数量为334611，单元数量为320000。对比之下，本发明能够降低41. 4% 的节点数量，增加了 3. 6%的单元数量。虽然单元数量略有增加，但是有限元计算的系统资 源消耗主要是根据节点数量判断，因此本发明对于三维建模仍能够明显降低其系统资源消 耗，提尚运算效率。
[0066] 通过图5计算等离子喷涂YSZ涂层的热导率，各组分的热学性能参数如表3所示。
[0067] 表3等离子喷涂YSZ涂层各组分热学性能参数
[0069] 表4展示了通过以像素为单元的模型和自适应网格模型计算的结果对比。从表 中可以发现，自适应网格和像素为单元的网格计算结果几乎完全相同，这说明自适应网格 不会影响计算精度。以像素为单元的模型计算耗时为300s，而自适应网格的计算耗时仅为 132s，节省了 60. 3%的用时。以像素为单元的模型消耗内存为860MB，而自适应网格的计算 耗时仅为525MB，节省了 38. 9%的内存消耗。
[0070] 表4以像素为单元的模型和自适应网格模型计算的结果对比
[0071]
【主权项】
1. 一种基于图像的有限元自适应网格划分方法，其特征在于：该划分方法：首先以适 宜的分辨率摄取材料的数值图像，在组织结构精细的区域保持高密度单元，在组织结构粗 大的区域降低节点和单元的密度，通过合理的过渡单元连接上述两种尺度的单元；具体步 骤如下： (a) 获取能代表材料结构的二维或三维图像； (b) 以图像分析法区分图像中不同的相或组分； (c) 将所有像素的位置信息读入计算机内存，标注出他们属于哪个相或组分； (d) 降低成分均一、结构简单的区域的图像分辨率； (e) 除了不同分辨率之间的过渡区，把其余区域每个像素直接建成一个单元； (f) 建立不同分辨率之间过渡区域的单元； (g) 构建单元模型。2. 根据权利要求1所述的基于图像的有限元自适应网格划分方法，特征在于：所述的 步骤（d)中，对应实体结构中成分均一、结构简单的区域，只要保证像素对应的材料单一性， 则不断循环地减半该区域的图像分辨率。3. 根据权利要求1所述的基于图像的有限元自适应网格划分方法，特征在于：所述的 步骤（e)和（f)中，直接根据像素的材料归类和位置信息构建有限元单元，节点的位置对应 像素的顶点。4. 根据权利要求1所述的基于图像的有限元自适应网格划分方法，特征在于：步骤（f) 中，不同分辨率的区域之间，二维网格采用映射型的多边形过渡连接，三维网格采用映射型 的多面体进行过渡。5. 根据权利要求1所述的基于图像的有限元自适应网格划分方法，特征在于：根据材 料各部分区域不同的结构精细程度，选择不同节点网格密度，越精细的区域节点密度越高， 反之节点密度越低。
【专利摘要】一种基于图像的自适应有限元网格划分方法，属于材料结构有限元分析的网格划分方法。方法为：一、利用图像分析法区分图像中不同的相或组分；二、利用计算机语言程序，将所有像素的位置信息读入计算机内存中；三、根据空间结构的精细程度，对结构粗大，成分单一的区域降低图像分辨率；四、将像素直接构建成有限元单元，不同分辨率造成不同的网格密度；五、以映射网格过渡不同密度的网格。本发明利用图像直接构建节点和单元，跳过实体建模，因而能够节省系统资源。并且能够在保证计算精度得前提下优化网格结构，显著降低节点数量，节省计算时间和内存消耗。全过程自动完成，对于节点数量巨大的模型非常实用。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105260526
【申请号】CN201510632852
【发明人】乔江浩, 谭娜, 刘洪涛, 张德坤
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年9月29日