[发明专利]一种基于真实金相图结构的晶粒有限元模型建模方法

说明书

本发明涉及一种基于真实金相图结构的晶粒有限元模型建模方法，属于金相图像晶粒建模技术领域。本发明采集真实材料的金相数字图像，经预处理得到晶粒灰度二值图像；对晶粒灰度二值图像进行连通区识别，获得图像中所有的独立性区域，进行连通区域像素量的排序，以面积最大的连通区为目标连通区，可得到晶粒晶界位置与形状图；根据晶粒晶界位置与形状图重绘晶粒晶界特征图；采用不破坏连通性的连续遍历，对重绘的晶粒晶界图像区域进行骨架提取，将晶粒晶界图像转化为树形结构数据，得到单像素宽度的晶界轮廓图；对单像素宽度的晶界轮廓图进行多线段近似拟合；经多线段近似拟合的图形数据进行坐标转化，建立“点‑线‑面”晶粒模型，得到多晶粒有限元模型。

技术领域

本发明涉及一种基于真实金相图结构的晶粒有限元模型建模方法，属于金相图像晶粒建模技术领域。

背景技术

材料的断裂失效和断裂机理对材料性能评估具有非常大的影响，晶粒形状大小、位置分布和晶界特性对材料的力学性能有显著影响，在材料设计优化和服役性能评估等方面具有重要的理论和工程意义。目前对材料晶粒晶界形状的描述可以通过基本的表征得到，但实际材料在服役失效过程中，无法获得完整的服役过程的晶粒晶界状态。有限元分析是研究材料力学性能和断裂的有效方法之一，通过对材料的晶粒晶界形状建立有限元模型，可以获得材料服役失效整个过程的微观形态和相关力学性能变化趋势，对材料的应用指导有着十分重大的意义。因此，准确高效的实现真实材料微观形貌向有限元模型的转化对该有限元模拟仿真分析计算具有极其重要的意义。

目前描述晶界晶粒模型的常见方法有Voronoi建模方法，可以实现晶粒的大小分布，在材料失效仿真中得到了极为广泛的应用。但Voronoi模型由于基本原理算法原因，对晶粒的描述采用简单化的处理方法，即抛弃了实际晶粒的细节特征，得到的有限元模型与材料实际的微观形貌差异较大。所以，提高有限元计算模型与材料实际微观形貌的契合度，是提高有限元分析结果准确性和可靠性的必然要求。

发明内容

本发明针对现有技术中晶粒晶界建模所存在的细节丢失，对真实晶粒晶界还原不佳等问题，提供一种基于真实金相图结构的晶粒有限元模型建模方法，本发明方法可以实现晶粒晶界组织形状向有限元模型的转化，并且所建模型高度还原真实晶粒晶界形状，解决现有晶粒晶界形状的有限元建模的效率低、仿真可靠性一般、不能精准反应晶界晶粒微观组织结构形状等问题。

本发明真实金相图为使用金相显微镜用于分析金相所得到的试样显微照片，使用合适的倍率的即可确定材料内部的物理与化学状态，也可以通过合适倍率的金相图来确定晶粒晶界形状特征，本发明通过对金相图的图像处理，提取到所需的晶粒晶界的精准形状特征，使用Abaqus有限元仿真软件对该形状特征的复原，从而可以快速的建立了真实性的晶粒晶界有限元模型。

一种基于真实金相图结构的晶粒有限元模型建模方法，具体步骤如下：

(1)采集真实材料的金相数字图像，经亮度调整和锐度增强预处理，进行灰度处理、二值化和开运算，以去除干扰项，强化晶粒晶界拐点的目标特征，得到晶粒灰度二值图像；

在原始金相图上选取目标区域进行裁剪，选取原则为晶粒晶界清晰，杂质干扰项少；对裁剪后的图片进行亮度和锐度增强的预处理，进行灰度转化；对灰度图进行二值化处理,对二值图进行腐蚀运算，去除图像中的孤立的小点、毛刺等，再对腐蚀运算后的图像进行膨胀运算；以去除干扰项，并保持图形轮廓的位置和形状不发生改变，根据腐蚀强度与膨胀强度，加强决定晶粒晶界形状的点线(如晶界拐点等)之间的连接；其中亮度调整、锐度增强系数因为不同的研究对象会不尽相同，但实施过程以突出晶粒晶界形状特征为目的，具体识别晶粒晶界细小特征，加大晶粒晶界与背景的对比，提高识别精度；

(2)对晶粒灰度二值图像进行连通区识别，获得图像中所有的独立性区域，进行连通区域像素量(即连通区面积)的排序，以面积最大的连通区为目标连通区即所需要的晶粒晶界形状，得到准确的晶粒晶界位置与形状图；根据晶粒晶界位置与形状图重绘与原图大小相同的晶粒晶界特征图，即没有其他杂质项的晶粒晶界形状；