无损检测的综合使用的微型电脑数据和基于图像的有限元建模

摘要

结合高品质的CT扫描数据与计算方法提出了自己作为一个有价值的无损检测技术和物理现象的调查。这样的分析的成功至关重要的是能够生成鲁棒和准确的放射线成像数据的基础上的啮合来表示图像数据的精确和有效的新型技术最近已被开发出来,可以生成任意复杂的拓扑,与任何数量的啮合组成材料。这些技术已被应用到与基体的空隙的陶瓷基质复合材料(CMC)的分析,以便确定通过裂纹萌生的应力峰值浓度,和潜在的故障区域。

关键词:有限元法,计算机断层扫描,陶瓷基复合材料,应力分析,射线探伤

1。介绍

有限元法(FEM),计算技术,如利用在许多领域的科学,工程,设计和制造的主要工具。许多工业领域,如汽车,航空航天,电子等,取决于计算力学模型和数值模拟复杂系统的分析,设计和制造的高科技产品。这些方法也适用于材料的特性,并和实验结果验证。积分的计算方法与射线探伤是无损检测界的高息[1-3],因为它提供了研究人员的手段要超越简单的图像分析和图像定量评估。它允许使用的精确的3D可视化,以产生一个基于图像的有限元模型,并计算隐藏的异常,不连续,裂缝和其它关键畸形在各种结构和非结构部件周围的局部应力和应变场。这样的分析技术是非常可取的用于访问没有任何实际的破坏性测试的材料的完整性[4]。这种模拟的成功至关重要的是能够准确,高效地来表示图像数据。直接及严格的放射线数据生成这些模型的新颖的方法,最近已经发展[5]。这些技术有几个关键的优势,包括能力强劲生成网格任意复杂度的(如复合微架构)的拓扑结构,并与任意数量的构成材料。重建的准确性是一个特别的强项,这些新技术只对图像质量然几何精度。本文提出了基于图像的有限元分析的实用性,无损检测,它提供了一个稳健的做法,量化,翻译和分析影像学数据的适用性。下面各节中说明这一方法的具体示例的陶瓷基体复合材料的内部缺陷。
2。陶瓷复合材料结构测试

陶瓷基复合材料(CMC)材料系统一直用于高温应用,如发动机的热段部件的焦点,与金属相比,因为其低的密度,因为它提供了较轻的组分质量[6]。目前,这些陶瓷基复合材料的制造仍然是不完美的,从而产生到矩阵空隙[7]。因此,这些不连续性是势在必行了详细的表征材料研究员能够明白自己的角色,在这样一个复杂的材料体系的重大行为。

2。1 CMC标本和CT扫描

在这项研究中,狗骨形试样(参考图1)分别提取的CMC材料制成的面板,包括,6-7%的孔隙率40%Sylarmic纤维,氮化硼(BN)的内涂层,在20-25 %化学气相渗透陶瓷(CVI)SiC涂层,和融化渗透(MI)矩阵。材料疲劳测试和计算机断层扫描的扫描前和循环后描绘的初始基质孔隙度的用一系列的计算机断层扫描二维切片图像的位置和大小[8]。因此,与目前的进展,计算机断层扫描成像,3D渲染技术和计算的相互联系的,破坏性的,突出可消除不连续性大小尽可能小的microfocal所使用的X射线源的准确性。

12.72毫米
(一)CT图像。 (二)标本605片11号

图1。 CMC的拉伸试样尺寸和选定的CT片。

在这项研究中,约0.2毫米的20个二维切片需要,本研究中使用的CT系统的准确性。在面内的扫描仪的分辨率为0.2毫米(在X和Y方向),而每个分片器之间的距离为1.25毫米。结构的畸形,如基体的表面粗糙度以及其他内部关键异常被描述在三维渲染模型。图2示出了提供模型示出的陶瓷材料内的各种异常。

图2。呈现的视图的扫描数据的细节孔。

2.2网格生成

在此基于图像的例子NDT-FEM接口启动产生一个数量的的3D分割图像数据的基础上的有限元网格。使用的SimpleWare ScanIP +有限元软件,确保高精度的重建。与许多平滑方案不同的是,在软件中实施的抗混叠技术高量,拓扑结构和几何形状保持,确保模型的几何精度,或只对图像质量的。由于网格细化和准确度是紧密相连的,以探索收敛结果(现场参数)的图像分辨率,图像向下采样创建两个不同大小的卷,以产生高和低分辨模型。一个明显的观察可以在这里对基于图像的模型与基于CAD模型[5]。比如,不像CAD模型,其中该模型的几何形状被假定为精确和网格密度的增加,主要,以获得一个更好的模型领域感兴趣的参数(比如加载的结构内的应力场),具有图像为基础的模型,无论是响应​​和系统的几何形状的近似。生成模型的基础上提高图像分辨率,不仅提高了建模的响应,但也表示几何。因此,基本上可以执行双重或耦合收敛研究。模拟的有效性,这种类型的研究提供了有力的论据,作为一个收敛的结果表明网格密度足够捕捉到现场感兴趣的参数,但也同样重要的,不仅图像分辨率该模型是基于高到足以捕获被扫描物体的相关特征。十款使用20次迭代应用多重反走样算法,随后两次迭代拉普拉斯平滑。这确保了高精确度的重建。网格优化参数确保该元素的质量指标达到最佳值,允许关闭表面节点像素的距离内。图3显示了一个模型,该模型表示的网格和内部特征的视图,示出的陶瓷材料内的各种异常情况。

图3。线框视图体网格。

结构的畸形,如基体的表面粗糙度和其他内部关键异常均表示在三维渲染模型。调用3D体积的施工过程中,图像处理和其它相关操作之前,以改善和提高计算机断层扫描片的质量。

2。3有限元分析

根据各种特定负载条件下,同时使用ANSYS(ANSYS公司)和Abaqus有限元代码(SIMULIA公司)进行了一系列的有限元分析。进行了广泛的分析探索的灵敏度数值预测的一系列参数,包括网格密度和分割参数。工作表明,新的基于图像的网格化技术可以提供一个强大的和交钥匙方式的理解宏观结构(散装)复杂的复合材料的微观结构特征的影响。增加网格密度,不仅提供了更好的代表性领域感兴趣的参数,但也更好的几何表示的问题。预测的有效模量是相对不敏感的网格密度,然而,在基质中观察到的峰值应力,(在孔引起的应力集中点),可以预期,相当敏感。此外,峰值应力集中,因此,通过裂纹萌生的潜在故障的区域进行了鉴定。图4中所示的有限元分析表明,在复合材料中的应力集中,位于预计位点,例如孔隙度和空隙位置。这项工作表明,有限元模型基于CT数据精确的三维模型的一个必不可少的工具,如CMC的复合材料系统内部缺陷的影响量化。

图4。关键区域的应力分布/高应力集中。

NDT-FEM的实验测试,这种组合可以并行开展实验研究与分析的实际样品扫描,并能够更好地探索稳定和失效机制。
3。结论

本文提供了一个描述性的总结射线无损检测技术和计算方法之间的相互作用。有限元法的适用性与选定的无损检测技术相结合,被示​​出一个例子,在陶瓷基体复合材料(CMC)系统的内部缺陷。进行了广泛的分析探索的灵敏度数值预测的一系列参数,包括网格密度和分割参数。工作表明,新的基于图像的网格化技术可以提供一个强大的和交钥匙方式的宏观结构(散装)属性复杂的复合材料的微观结构特征的影响的理解。增加网格密度不仅提供了更好的代表性领域感兴趣的参数,但也更好的几何表示问题。预测的有效模量是相对不敏感,但峰值应力矩阵内的观察(孔引起的应力集中点),可以预见,相当敏感的网格密度。

参考文献

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