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  • 無損檢測的綜合使用的微型電腦數據和基于圖像的有限元建模

    摘要

    結合高品質的CT掃描數據與計算方法提出了自己作為一個有價值的無損檢測技術和物理現象的調查。這樣的分析的成功至關重要的是能夠生成魯棒和準確的放射線成像數據的基礎上的嚙合來表示圖像數據的精確和有效的新型技術最近已被開發出來,可以生成任意復雜的拓撲,與任何數量的嚙合組成材料。這些技術已被應用到與基體的空隙的陶瓷基質復合材料(CMC)的分析,以便確定通過裂紋萌生的應力峰值濃度,和潛在的故障區域。

    關鍵詞:有限元法,計算機斷層掃描,陶瓷基復合材料,應力分析,射線探傷

    1。介紹

    有限元法(FEM),計算技術,如利用在許多領域的科學,工程,設計和制造的主要工具。許多工業領域,如汽車,航空航天,電子等,取決于計算力學模型和數值模擬復雜系統的分析,設計和制造的高科技產品。這些方法也適用于材料的特性,并和實驗結果驗證。積分的計算方法與射線探傷是無損檢測界的高息[1-3],因為它提供了研究人員的手段要超越簡單的圖像分析和圖像定量評估。它允許使用的精確的3D可視化,以產生一個基于圖像的有限元模型,并計算隱藏的異常,不連續,裂縫和其它關鍵畸形在各種結構和非結構部件周圍的局部應力和應變場。這樣的分析技術是非??扇〉挠糜谠L問沒有任何實際的破壞性測試的材料的完整性[4]。這種模擬的成功至關重要的是能夠準確,高效地來表示圖像數據。直接及嚴格的放射線數據生成這些模型的新穎的方法,最近已經發展[5]。這些技術有幾個關鍵的優勢,包括能力強勁生成網格任意復雜度的(如復合微架構)的拓撲結構,并與任意數量的構成材料。重建的準確性是一個特別的強項,這些新技術只對圖像質量然幾何精度。本文提出了基于圖像的有限元分析的實用性,無損檢測,它提供了一個穩健的做法,量化,翻譯和分析影像學數據的適用性。下面各節中說明這一方法的具體示例的陶瓷基體復合材料的內部缺陷。
    2。陶瓷復合材料結構測試

    陶瓷基復合材料(CMC)材料系統一直用于高溫應用,如發動機的熱段部件的焦點,與金屬相比,因為其低的密度,因為它提供了較輕的組分質量[6]。目前,這些陶瓷基復合材料的制造仍然是不完美的,從而產生到矩陣空隙[7]。因此,這些不連續性是勢在必行了詳細的表征材料研究員能夠明白自己的角色,在這樣一個復雜的材料體系的重大行為。

    2.1 CMC標本和CT掃描

    在這項研究中,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)的內涂層,在20-25 %化學氣相滲透陶瓷(CVI)SiC涂層,和融化滲透(MI)矩陣。材料疲勞測試和計算機斷層掃描的掃描前和循環后描繪的初始基質孔隙度的用一系列的計算機斷層掃描二維切片圖像的位置和大小[8]。因此,與目前的進展,計算機斷層掃描成像,3D渲染技術和計算的相互聯系的,破壞性的,突出可消除不連續性大小盡可能小的microfocal所使用的X射線源的準確性。

    12.72毫米
    (一)CT圖像。 (二)標本605片11號

    圖1。 CMC的拉伸試樣尺寸和選定的CT片。

    在這項研究中,約0.2毫米的20個二維切片需要,本研究中使用的CT系統的準確性。在面內的掃描儀的分辨率為0.2毫米(在X和Y方向),而每個分片器之間的距離為1.25毫米。結構的畸形,如基體的表面粗糙度以及其他內部關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的各種異常。

    圖2。呈現的視圖的掃描數據的細節孔。

    2.2網格生成

    在此基于圖像的例子NDT-FEM接口啟動產生一個數量的的3D分割圖像數據的基礎上的有限元網格。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,在軟件中實施的抗混疊技術高量,拓撲結構和幾何形狀保持,確保模型的幾何精度,或只對圖像質量的。由于網格細化和準確度是緊密相連的,以探索收斂結果(現場參數)的圖像分辨率,圖像向下采樣創建兩個不同大小的卷,以產生高和低分辨模型。一個明顯的觀察可以在這里對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格密度的增加,主要,以獲得一個更好的模型領域感興趣的參數(比如加載的結構內的應力場),具有圖像為基礎的模型,無論是響應​​和系統的幾何形狀的近似。生成模型的基礎上提高圖像分辨率,不僅提高了建模的響應,但也表示幾何。因此,基本上可以執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,作為一個收斂的結果表明網格密度足夠捕捉到現場感興趣的參數,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特征。十款使用20次迭代應用多重反走樣算法,隨后兩次迭代拉普拉斯平滑。這確保了高精確度的重建。網格優化參數確保該元素的質量指標達到最佳值,允許關閉表面節點像素的距離內。圖3顯示了一個模型,該模型表示的網格和內部特征的視圖,示出的陶瓷材料內的各種異常情況。

    圖3。線框視圖體網格。

    結構的畸形,如基體的表面粗糙度和其他內部關鍵異常均表示在三維渲染模型。調用3D體積的施工過程中,圖像處理和其它相關操作之前,以改善和提高計算機斷層掃描片的質量。

    2.3有限元分析

    根據各種特定負載條件下,同時使用ANSYS(ANSYS公司)和Abaqus有限元代碼(SIMULIA公司)進行了一系列的有限元分析。進行了廣泛的分析探索的靈敏度數值預測的一系列參數,包括網格密度和分割參數。工作表明,新的基于圖像的網格化技術可以提供一個強大的和交鑰匙方式的理解宏觀結構(散裝)復雜的復合材料的微觀結構特征的影響。增加網格密度,不僅提供了更好的代表性領域感興趣的參數,但也更好的幾何表示的問題。預測的有效模量是相對不敏感的網格密度,然而,在基質中觀察到的峰值應力,(在孔引起的應力集中點),可以預期,相當敏感。此外,峰值應力集中,因此,通過裂紋萌生的潛在故障的區域進行了鑒定。圖4中所示的有限元分析表明,在復合材料中的應力集中,位于預計位點,例如孔隙度和空隙位置。這項工作表明,有限元模型基于CT數據精確的三維模型的一個必不可少的工具,如CMC的復合材料系統內部缺陷的影響量化。

    圖4。關鍵區域的應力分布/高應力集中。

    NDT-FEM的實驗測試,這種組合可以并行開展實驗研究與分析的實際樣品掃描,并能夠更好地探索穩定和失效機制。
    3。結論

    本文提供了一個描述性的總結射線無損檢測技術和計算方法之間的相互作用。有限元法的適用性與選定的無損檢測技術相結合,被示​​出一個例子,在陶瓷基體復合材料(CMC)系統的內部缺陷。進行了廣泛的分析探索的靈敏度數值預測的一系列參數,包括網格密度和分割參數。工作表明,新的基于圖像的網格化技術可以提供一個強大的和交鑰匙方式的宏觀結構(散裝)屬性復雜的復合材料的微觀結構特征的影響的理解。增加網格密度不僅提供了更好的代表性領域感興趣的參數,但也更好的幾何表示問題。預測的有效模量是相對不敏感,但峰值應力矩陣內的觀察(孔引起的應力集中點),可以預見,相當敏感的網格密度。

    參考文獻

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