基于CT图像的混凝土细观三维有限元模型重建

摘要

目前，混凝土材料力学行为的研究大都是建立在试验的基础上，需要花费大量的人力、物力，所得到的试验成果又往往受到试验条件、环境以及材料本身复杂性的影响，试验成果的离散性较大。在这种情况下，结合理论和试验的细观数值模拟是一种行之有效的方法。而在细观尺度上有限元模型的建立是数值模拟首要的一环。
　　随着混凝土力学性能研究的深入，学者们越来越重视其细观力学性能的研究，随之产生了各种各样的细观结构有限元模型，例如格构模型，梁一颗粒模型，随机骨料模型，随机力学特性模型。以上模型大多是基于随机抽样方法和统计学的知识，所建立的模型虽然在骨料的分布和形状上已越来越接近混凝土的真实结构，但不可避免的与混凝土的真实细观结构存在着差异。CT技术的出现，实现了在无损状态下将混凝土内部细观结构用数字化方法进行呈现。如果能利用CT平面图像的信息，建立真实或近似真实的细观结构有限元模型，将对混凝土数值模拟研究产生一定的作用。混凝土包括了骨料、水泥砂浆和孔隙三部分，从图像特征来看，骨料接近于白色，孔隙趋于黑色，水泥砂浆则介于两者之间。由于骨料、砂浆与孔隙具有相对明显的密度差异，通过CT扫描并转换成图像后，混凝土各个组分之间具有较好的对比度，能比较容易的观察和提取出骨料的轮廓。本文选用平滑滤波、阀值分割、形态学开闭运算等比较成熟的数字图像处理技术对混凝土圆柱试件的截面图像进行预处理，以获取准确的骨料几何与位置信息。利用这些信息，本文提出了两种三维重建的思路。第一种思路也就是本文第三章，基本步骤是利用处理好的图像，提取骨料的轮廓，基于矩理论对骨料的轮廓进行识别，将同一骨料在不同的层的轮廓提取出来，进行拓扑重构。对重构好的骨料数据进行处理，提取骨料的几何信息如长短轴长，长轴的倾角，圆度，矩形度等，并提取有限数量且能准确描述骨料结构的特征点，将这些特征点的位置信息导入ANSYS，连点成线，由线生成面，并利用ANSYS中的蒙皮技术利用同一骨料的不同面生成体，最后剖分网格，生成有限元模型。第二种方法也就是本文的第四章，基于混凝土的CT平面图像信息，用APDL语言生成的程序对混凝土的三维细观结构在大型商业有限元软件ANSYS中进行三维重建。重建过程没有生成点、线、面、体等几何元素，而是利用CT平面图像信息直接生成节点，连接节点生成单元，避免了网格无法剖分现象的出现。生成的单元形状规则，长宽比合理。第一种方法生成的模型忽略了小体积组分结构，由于特征点选取的有限，生成的较大体积的骨料与试件中骨料的圆形状也存在着差异，并且剖分后的一小部分网格质量不高。第二种方法直接对图像信息数据压缩，没有对不同的骨料进行区分，并且由于界面层的引入，使生成模型与原混凝土试件相比骨料率明显降低。但基于CT图像三维重建后的模型是以混凝土的真实细观结构信息为依据的，从而使生成的模型与真实模型差异更小，并且彻底解决了多级配骨料无法投放的难题。

目录

独创性声明

学位论文使用授权声明

1. 绪论

1.1 问题的提出

1.2 混凝土细观模型的研究现状

1.3 数字图像技术的应用

1.3.1 DIP技术在生物医学领域的应用

1.3.2 DIP技术在遥感图像处理领域中的应用

1.3.3 DIP技术在土木工程领域的应用

1.4 三维重建

1.5 本文的研究目的和意义

2. 数字图像处理技术

2.1 数字图像的基本知识

2.1.1 数字图像中的数据结构

2.1.2 数字图像的存储格式

2.2 图像获取

2.2.1 CT图像的成像原理

2.2.2 CT图像和CT值、窗技术

2.3 混凝土CT图像的特点

2.4 图像的预处理

2.4.1 图像增强

2.4.2 图像分割

2.4.3 数学形态学的后处理

2.5 小结

3. 骨料的拓扑重构及基于骨料描述的三维重建

3.1 骨料轮廓的边缘检测

3.2 骨料截面主要参数提取

3.3 不变矩理论

3.3.1 不变矩

3.3.2 图像的二阶矩

3.3.3 矩的变换

3.3.4 Hu不变矩

3.4 基于不变矩理论的轮廓配准

3.4.1 骨料轮廓的配准条件及拾取步骤

3.4.2 骨料轮廓配准举例

3.5 骨料在ANSYS中的三维重建

3.5.1 骨料形状的描述

3.5.2 特征点的选取

3.5.3 骨料体在ANSYS中重建

3.6 小结

4. 基于节点联元法的混凝土三维细观结构有限元重建

4.1 现有混凝土细观模型的建立方法

4.1.1 基于数学方法的混凝土细观建模现状

4.1.2 基于数字图像混凝土建模现状

4.2 本课题组曾使用模型

4.3 基于简化的CT图像的混凝土细观结构有限元模型的建立

4.3.1 CT图像信息的获得及预处理

4.3.2 ANSYS中的有限元建模

4.4 模型合理性验证

4.4.1 有限元模型纵剖面

4.4.2 有限元模型横剖面

4.4.3 有限元模型模拟效果对比

4.5 小结

5. 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录