無(wú)損檢測(cè)的綜合使用的微型電腦數(shù)據(jù)和基于圖像的有限元建模

摘要

結(jié)合高品質(zhì)的CT掃描數(shù)據(jù)與計(jì)算方法提出了自己作為一個(gè)有價(jià)值的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和物理現(xiàn)象的調(diào)查。這樣的分析的成功至關(guān)重要的是能夠生成魯棒和準(zhǔn)確的放射線成像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的嚙合來(lái)表示圖像數(shù)據(jù)的精確和有效的新型技術(shù)最近已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，可以生成任意復(fù)雜的拓?fù)?，與任何數(shù)量的嚙合組成材料。這些技術(shù)已被應(yīng)用到與基體的空隙的陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料（CMC）的分析，以便確定通過(guò)裂紋萌生的應(yīng)力峰值濃度，和潛在的故障區(qū)域。

關(guān)鍵詞：有限元法，計(jì)算機(jī)斷層掃描，陶瓷基復(fù)合材料，應(yīng)力分析，射線探傷

1。介紹

有限元法（FEM），計(jì)算技術(shù)，如利用在許多領(lǐng)域的科學(xué)，工程，設(shè)計(jì)和制造的主要工具。許多工業(yè)領(lǐng)域，如汽車，航空航天，電子等，取決于計(jì)算力學(xué)模型和數(shù)值模擬復(fù)雜系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)和制造的高科技產(chǎn)品。這些方法也適用于材料的特性，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。積分的計(jì)算方法與射線探傷是無(wú)損檢測(cè)界的高息[1-3]，因?yàn)樗峁┝搜芯咳藛T的手段要超越簡(jiǎn)單的圖像分析和圖像定量評(píng)估。它允許使用的精確的3D可視化，以產(chǎn)生一個(gè)基于圖像的有限元模型，并計(jì)算隱藏的異常，不連續(xù)，裂縫和其它關(guān)鍵畸形在各種結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)部件周圍的局部應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)。這樣的分析技術(shù)是非常可取的用于訪問(wèn)沒(méi)有任何實(shí)際的破壞性測(cè)試的材料的完整性[4]。這種模擬的成功至關(guān)重要的是能夠準(zhǔn)確，高效地來(lái)表示圖像數(shù)據(jù)。直接及嚴(yán)格的放射線數(shù)據(jù)生成這些模型的新穎的方法，最近已經(jīng)發(fā)展[5]。這些技術(shù)有幾個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)，包括能力強(qiáng)勁生成網(wǎng)格任意復(fù)雜度的（如復(fù)合微架構(gòu)）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并與任意數(shù)量的構(gòu)成材料。重建的準(zhǔn)確性是一個(gè)特別的強(qiáng)項(xiàng)，這些新技術(shù)只對(duì)圖像質(zhì)量然幾何精度。本文提出了基于圖像的有限元分析的實(shí)用性，無(wú)損檢測(cè)，它提供了一個(gè)穩(wěn)健的做法，量化，翻譯和分析影像學(xué)數(shù)據(jù)的適用性。下面各節(jié)中說(shuō)明這一方法的具體示例的陶瓷基體復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷。
2。陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)測(cè)試

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）材料系統(tǒng)一直用于高溫應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)的熱段部件的焦點(diǎn)，與金屬相比，因?yàn)槠涞偷拿芏?，因?yàn)樗峁┝溯^輕的組分質(zhì)量[6]。目前，這些陶瓷基復(fù)合材料的制造仍然是不完美的，從而產(chǎn)生到矩陣空隙[7]。因此，這些不連續(xù)性是勢(shì)在必行了詳細(xì)的表征材料研究員能夠明白自己的角色，在這樣一個(gè)復(fù)雜的材料體系的重大行為。

2.1 CMC標(biāo)本和CT掃描

在這項(xiàng)研究中，狗骨形試樣（參考圖1）分別提取的CMC材料制成的面板，包括，6-7％的孔隙率40％Sylarmic纖維，氮化硼（BN）的內(nèi)涂層，在20-25 ％化學(xué)氣相滲透陶瓷（CVI）SiC涂層，和融化滲透（MI）矩陣。材料疲勞測(cè)試和計(jì)算機(jī)斷層掃描的掃描前和循環(huán)后描繪的初始基質(zhì)孔隙度的用一系列的計(jì)算機(jī)斷層掃描二維切片圖像的位置和大小[8]。因此，與目前的進(jìn)展，計(jì)算機(jī)斷層掃描成像，3D渲染技術(shù)和計(jì)算的相互聯(lián)系的，破壞性的，突出可消除不連續(xù)性大小盡可能小的microfocal所使用的X射線源的準(zhǔn)確性。

12.72毫米
（一）CT圖像。 （二）標(biāo)本605片11號(hào)

圖1。 CMC的拉伸試樣尺寸和選定的CT片。

在這項(xiàng)研究中，約0.2毫米的20個(gè)二維切片需要，本研究中使用的CT系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。在面內(nèi)的掃描儀的分辨率為0.2毫米（在X和Y方向），而每個(gè)分片器之間的距離為1.25毫米。結(jié)構(gòu)的畸形，如基體的表面粗糙度以及其他內(nèi)部關(guān)鍵異常被描述在三維渲染模型。圖2示出了提供模型示出的陶瓷材料內(nèi)的各種異常。

圖2。呈現(xiàn)的視圖的掃描數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)孔。

2.2網(wǎng)格生成

在此基于圖像的例子NDT-FEM接口啟動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)量的的3D分割圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的有限元網(wǎng)格。使用的SimpleWare ScanIP +有限元軟件，確保高精度的重建。與許多平滑方案不同的是，在軟件中實(shí)施的抗混疊技術(shù)高量，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何形狀保持，確保模型的幾何精度，或只對(duì)圖像質(zhì)量的。由于網(wǎng)格細(xì)化和準(zhǔn)確度是緊密相連的，以探索收斂結(jié)果（現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)）的圖像分辨率，圖像向下采樣創(chuàng)建兩個(gè)不同大小的卷，以產(chǎn)生高和低分辨模型。一個(gè)明顯的觀察可以在這里對(duì)基于圖像的模型與基于CAD模型[5]。比如，不像CAD模型，其中該模型的幾何形狀被假定為精確和網(wǎng)格密度的增加，主要，以獲得一個(gè)更好的模型領(lǐng)域感興趣的參數(shù)（比如加載的結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)），具有圖像為基礎(chǔ)的模型，無(wú)論是響應(yīng)​​和系統(tǒng)的幾何形狀的近似。生成模型的基礎(chǔ)上提高圖像分辨率，不僅提高了建模的響應(yīng)，但也表示幾何。因此，基本上可以執(zhí)行雙重或耦合收斂研究。模擬的有效性，這種類型的研究提供了有力的論據(jù)，作為一個(gè)收斂的結(jié)果表明網(wǎng)格密度足夠捕捉到現(xiàn)場(chǎng)感興趣的參數(shù)，但也同樣重要的，不僅圖像分辨率該模型是基于高到足以捕獲被掃描物體的相關(guān)特征。十款使用20次迭代應(yīng)用多重反走樣算法，隨后兩次迭代拉普拉斯平滑。這確保了高精確度的重建。網(wǎng)格優(yōu)化參數(shù)確保該元素的質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到最佳值，允許關(guān)閉表面節(jié)點(diǎn)像素的距離內(nèi)。圖3顯示了一個(gè)模型，該模型表示的網(wǎng)格和內(nèi)部特征的視圖，示出的陶瓷材料內(nèi)的各種異常情況。

圖3。線框視圖體網(wǎng)格。

結(jié)構(gòu)的畸形，如基體的表面粗糙度和其他內(nèi)部關(guān)鍵異常均表示在三維渲染模型。調(diào)用3D體積的施工過(guò)程中，圖像處理和其它相關(guān)操作之前，以改善和提高計(jì)算機(jī)斷層掃描片的質(zhì)量。

2.3有限元分析

根據(jù)各種特定負(fù)載條件下，同時(shí)使用ANSYS（ANSYS公司）和Abaqus有限元代碼（SIMULIA公司）進(jìn)行了一系列的有限元分析。進(jìn)行了廣泛的分析探索的靈敏度數(shù)值預(yù)測(cè)的一系列參數(shù)，包括網(wǎng)格密度和分割參數(shù)。工作表明，新的基于圖像的網(wǎng)格化技術(shù)可以提供一個(gè)強(qiáng)大的和交鑰匙方式的理解宏觀結(jié)構(gòu)（散裝）復(fù)雜的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特征的影響。增加網(wǎng)格密度，不僅提供了更好的代表性領(lǐng)域感興趣的參數(shù)，但也更好的幾何表示的問(wèn)題。預(yù)測(cè)的有效模量是相對(duì)不敏感的網(wǎng)格密度，然而，在基質(zhì)中觀察到的峰值應(yīng)力，（在孔引起的應(yīng)力集中點(diǎn)），可以預(yù)期，相當(dāng)敏感。此外，峰值應(yīng)力集中，因此，通過(guò)裂紋萌生的潛在故障的區(qū)域進(jìn)行了鑒定。圖4中所示的有限元分析表明，在復(fù)合材料中的應(yīng)力集中，位于預(yù)計(jì)位點(diǎn)，例如孔隙度和空隙位置。這項(xiàng)工作表明，有限元模型基于CT數(shù)據(jù)精確的三維模型的一個(gè)必不可少的工具，如CMC的復(fù)合材料系統(tǒng)內(nèi)部缺陷的影響量化。

​

圖4。關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力分布/高應(yīng)力集中。

NDT-FEM的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這種組合可以并行開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究與分析的實(shí)際樣品掃描，并能夠更好地探索穩(wěn)定和失效機(jī)制。
3。結(jié)論

本文提供了一個(gè)描述性的總結(jié)射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算方法之間的相互作用。有限元法的適用性與選定的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，被示​​出一個(gè)例子，在陶瓷基體復(fù)合材料（CMC）系統(tǒng)的內(nèi)部缺陷。進(jìn)行了廣泛的分析探索的靈敏度數(shù)值預(yù)測(cè)的一系列參數(shù)，包括網(wǎng)格密度和分割參數(shù)。工作表明，新的基于圖像的網(wǎng)格化技術(shù)可以提供一個(gè)強(qiáng)大的和交鑰匙方式的宏觀結(jié)構(gòu)（散裝）屬性復(fù)雜的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特征的影響的理解。增加網(wǎng)格密度不僅提供了更好的代表性領(lǐng)域感興趣的參數(shù)，但也更好的幾何表示問(wèn)題。預(yù)測(cè)的有效模量是相對(duì)不敏感，但峰值應(yīng)力矩陣內(nèi)的觀察（孔引起的應(yīng)力集中點(diǎn)），可以預(yù)見(jiàn)，相當(dāng)敏感的網(wǎng)格密度。

參考文獻(xiàn)

阿卜杜勒 - 阿齊茲，A.，Albumeri G.，GARG，M.，年輕，PG，2008。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)和有限元分析鎳基高溫合金泡沫金屬的結(jié)構(gòu)測(cè)試。材料評(píng)價(jià)，66（9），949-954。
沃森，IG，李，PD，達(dá)什伍德，RJ，年輕，P. 2006。模擬使用X射線顯微層析鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。冶金與材料交易A，37A，551-558 ..
Sreeranganathan，A.格哈爾上午，年輕，P. 2010?，F(xiàn)實(shí)的非連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)模型。計(jì)算材料科學(xué)，49（2），407-413。
阿卜杜勒 - 阿齊茲，A.，2008。整合無(wú)損檢測(cè)，如有限元計(jì)算方法。材料評(píng)價(jià)，66（1），21-25。
年輕，PG，貝雷斯福德西，TBH，懦夫，SRL，Notarberardino，B.，沃克，B.，阿卜杜勒 - 阿齊茲，A.，2008。一個(gè)有效的方法，三維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高度精確的計(jì)算模型。哲學(xué)會(huì)刊英國(guó)皇家學(xué)會(huì)A，366，3155-3173。
巴特，陳T.R.，L.Y.，Morsher，N.G. 2002年。組織和拉伸性能的BN /碳化硅涂層的Hi-Nicalon纖維，Sylramic的碳化硅光纖預(yù)制棒。美國(guó)航空航天局的報(bào)告，TM-2001210695。
迪卡洛，J.A. 1985。結(jié)構(gòu)可靠的金屬和陶瓷復(fù)合材料的纖維。中國(guó)的金屬，37，44-49。
阿卜杜勒 - 阿齊茲，A.，秋刀魚，三，五，年輕，PG，裴軒2006年。在材料特性的復(fù)合使用的微型CT圖像為基礎(chǔ)的有限元建模。 SPIE，6176，05-1-0.5-8重要。