基于球面諧波的水泥顆粒光順及有限元力學(xué)分析.pdf_第1頁(yè)
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1、以水泥砂漿為代表的水泥復(fù)合材料,目前在社會(huì)上被廣泛的使用。水泥復(fù)合材料有很多的優(yōu)點(diǎn),比如原材料來(lái)源廣泛、強(qiáng)度可控、外形可塑和價(jià)格低廉等。但是其自身也存在一些缺點(diǎn),例如自身固有的抗裂性能差、脆性大等。這些缺點(diǎn)使其在建材領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用受到了影響,所以水泥復(fù)合材料的研究不僅有很高的理論價(jià)值,而且具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
   在過(guò)去的幾年中,由于CT技術(shù)在材料研究中的逐步推廣應(yīng)用,使獲取材料二維斷層序列圖像成為可能。根據(jù)這

2、些序列圖像可以直接構(gòu)造材料微觀結(jié)構(gòu)的三維立體模型。現(xiàn)今三維重構(gòu)已有比較成熟的算法,能夠得到真實(shí)的材料微觀結(jié)構(gòu)。材料的宏觀性能受其微觀結(jié)構(gòu)的影響,要想提高材料的宏觀性能,需要對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。對(duì)于水泥復(fù)合材料來(lái)說(shuō),建立水泥微觀結(jié)構(gòu)模型,將為水泥材料的研究提供新的方法和途徑。
   本文進(jìn)行了以下4方面的工作:
   1.首先通過(guò)CT獲取了水泥復(fù)合材料的二維斷層序列圖像,研究了復(fù)雜背景和模糊邊界條件下,提取多輪廓的方法。

3、介紹了動(dòng)態(tài)輪廓模型和水平集方法的相關(guān)知識(shí),并采用動(dòng)態(tài)輪廓模型快速全局最小化方法提取出了水泥顆粒輪廓,進(jìn)一步用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和中值濾波的方法優(yōu)化了獲得的輪廓,提取出了精確的水泥斷層圖像序列輪廓。最后結(jié)合水泥顆粒自身的特點(diǎn),分割出了顆粒的多層輪廓。
   2.研究了基于連續(xù)斷層序列圖像的三維重構(gòu)技術(shù),主要有兩大類(lèi)技術(shù):面繪制,體繪制?;诿胬L制的三維重構(gòu)的經(jīng)典算法是移動(dòng)立方體算法(MC),基于體繪制的經(jīng)典算法是光線投射算法(Ray Ca

4、sting),可視化工具VTK(Visualization Tool Kit)分別用相應(yīng)的類(lèi)實(shí)現(xiàn)了上述算法。本文分別利用VTK提供的vtkMarchingCubes類(lèi)和vtkVolumeRayCastCompositeFunction類(lèi),結(jié)合VS2005軟件平臺(tái),對(duì)基于BMP格式的斷層圖像進(jìn)行了重構(gòu),得到了水泥顆粒微觀顆粒。結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn):面繪制算法執(zhí)行效率高,速度快,重構(gòu)顆粒表面有鋸齒狀;體繪制算法繪制效果質(zhì)量高,保留了顆粒的許多細(xì)節(jié),

5、但執(zhí)行效率不如面繪制算法。
   3.為了下一步應(yīng)用有限元軟件對(duì)水泥微觀結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)減少有限元的計(jì)算量及保證結(jié)果的收斂性,需對(duì)水泥顆粒進(jìn)行光順。本文詳細(xì)闡述了球面諧波基函數(shù)的相關(guān)性質(zhì)及其在三維物體表面光順中的應(yīng)用。利用球面諧波函數(shù)對(duì)重構(gòu)出的水泥顆粒進(jìn)行了各階次的光順,最終成功得到了水泥顆粒形狀的逼近圖像。結(jié)果表明球面諧波函數(shù)適合對(duì)水泥顆粒表面進(jìn)行光順。
   4.將經(jīng)過(guò)一階球諧函數(shù)處理的水泥顆粒導(dǎo)入到有限元分析

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