基于CT圖像的混凝土細(xì)觀三維有限元模型重建.pdf

1、目前，混凝土材料力學(xué)行為的研究大都是建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，需要花費(fèi)大量的人力、物力，所得到的試驗(yàn)成果又往往受到試驗(yàn)條件、環(huán)境以及材料本身復(fù)雜性的影響，試驗(yàn)成果的離散性較大。在這種情況下，結(jié)合理論和試驗(yàn)的細(xì)觀數(shù)值模擬是一種行之有效的方法。而在細(xì)觀尺度上有限元模型的建立是數(shù)值模擬首要的一環(huán)。
　　隨著混凝土力學(xué)性能研究的深入，學(xué)者們?cè)絹?lái)越重視其細(xì)觀力學(xué)性能的研究，隨之產(chǎn)生了各種各樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型，例如格構(gòu)模型，梁一顆粒模型，隨機(jī)骨

2、料模型，隨機(jī)力學(xué)特性模型。以上模型大多是基于隨機(jī)抽樣方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)，所建立的模型雖然在骨料的分布和形狀上已越來(lái)越接近混凝土的真實(shí)結(jié)構(gòu)，但不可避免的與混凝土的真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在著差異。CT技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)損狀態(tài)下將混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)用數(shù)字化方法進(jìn)行呈現(xiàn)。如果能利用CT平面圖像的信息，建立真實(shí)或近似真實(shí)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元模型，將對(duì)混凝土數(shù)值模擬研究產(chǎn)生一定的作用。混凝土包括了骨料、水泥砂漿和孔隙三部分，從圖像特征來(lái)看，骨料接近于白色，

3、孔隙趨于黑色，水泥砂漿則介于兩者之間。由于骨料、砂漿與孔隙具有相對(duì)明顯的密度差異，通過(guò)CT掃描并轉(zhuǎn)換成圖像后，混凝土各個(gè)組分之間具有較好的對(duì)比度，能比較容易的觀察和提取出骨料的輪廓。本文選用平滑濾波、閥值分割、形態(tài)學(xué)開(kāi)閉運(yùn)算等比較成熟的數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)混凝土圓柱試件的截面圖像進(jìn)行預(yù)處理，以獲取準(zhǔn)確的骨料幾何與位置信息。利用這些信息，本文提出了兩種三維重建的思路。第一種思路也就是本文第三章，基本步驟是利用處理好的圖像，提取骨料的輪廓，基

4、于矩理論對(duì)骨料的輪廓進(jìn)行識(shí)別，將同一骨料在不同的層的輪廓提取出來(lái)，進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)。對(duì)重構(gòu)好的骨料數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取骨料的幾何信息如長(zhǎng)短軸長(zhǎng)，長(zhǎng)軸的傾角，圓度，矩形度等，并提取有限數(shù)量且能準(zhǔn)確描述骨料結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)，將這些特征點(diǎn)的位置信息導(dǎo)入ANSYS，連點(diǎn)成線(xiàn)，由線(xiàn)生成面，并利用ANSYS中的蒙皮技術(shù)利用同一骨料的不同面生成體，最后剖分網(wǎng)格，生成有限元模型。第二種方法也就是本文的第四章，基于混凝土的CT平面圖像信息，用APDL語(yǔ)言生成的程序

5、對(duì)混凝土的三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)在大型商業(yè)有限元軟件ANSYS中進(jìn)行三維重建。重建過(guò)程沒(méi)有生成點(diǎn)、線(xiàn)、面、體等幾何元素，而是利用CT平面圖像信息直接生成節(jié)點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)生成單元，避免了網(wǎng)格無(wú)法剖分現(xiàn)象的出現(xiàn)。生成的單元形狀規(guī)則，長(zhǎng)寬比合理。第一種方法生成的模型忽略了小體積組分結(jié)構(gòu)，由于特征點(diǎn)選取的有限，生成的較大體積的骨料與試件中骨料的圓形狀也存在著差異，并且剖分后的一小部分網(wǎng)格質(zhì)量不高。第二種方法直接對(duì)圖像信息數(shù)據(jù)壓縮，沒(méi)有對(duì)不同的骨料進(jìn)行區(qū)分，