simpleware案例多孔介質(zhì)建模

1、Simpleware 多孔介質(zhì)建模的模型創(chuàng)建及網(wǎng)格生成基于圖像的建模技術(shù)由于其低成本、操作簡單、逼真性高等優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)、無損檢測(NDE)、多孔介質(zhì)、地形測繪、醫(yī)療、材料、自然科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 Simpleware 軟件基于其創(chuàng)新的算法，為圖像轉(zhuǎn)換為三維 CAD 模型、快速成型、CFD 模型以及有限元模型提供世界領(lǐng)先的解決方案。簡單的工作流程本文以者流體模型為例，演示對于多孔介質(zhì)問題、結(jié)構(gòu)大變形問題、或問題，如何將高分辨率的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、去除噪聲、分割、生成網(wǎng)格并導(dǎo)出計(jì)算模型。本文給出三類模型的操作步驟，包括：STL模型、FE 模型和CFD 模型。膨脹的具有負(fù)泊松比不同于傳統(tǒng)的材

2、料，如果受到拉伸，它們將垂直于應(yīng)力方向伸展，被擠壓時(shí)平行收縮。這一特殊的力學(xué)現(xiàn)象可以由以下提供的動(dòng)畫清晰展現(xiàn) ,它展示了通過 AbaqusTM對 供。實(shí)施的大形變分析。本章的圖像數(shù)據(jù)由大學(xué)的 G.Selder 教授友情提學(xué)習(xí)內(nèi)容1.1:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn1圖像處理網(wǎng)格劃分和輸出遞歸濾波器表面網(wǎng)格，保留和去除材料特性的 FE 和交互閾值CFD 網(wǎng)格生成填充平滑額外的表面層預(yù)平滑處理1.2數(shù)據(jù)本案例的數(shù)據(jù)文件名為auxetic1_50.hdr, 可以在路徑 C:Program Files SimplewareData 下的 AuxeticFoam 文件夾中找到。1.3S

3、canIP 圖像處理模塊中的圖像處理步驟1.3.1輸入數(shù)據(jù)打開文件：1、運(yùn)行 ScanIP 圖像處理模塊.2、選擇菜單欄 File 打開 auxetic1_50.hdr(或者從e 歡迎界面，選擇Open,打開路徑 SimplewareDataAuxeticFoam 下的 auxetic1_50.hdr 文件)圖 1-1 導(dǎo)入數(shù)據(jù)后的屏幕顯示注意到，如圖 1-1 所示，圖像自動(dòng)在 3D 視圖中呈現(xiàn)。關(guān)3. 關(guān)閉渲染。于渲染的信息請參考Reference Guide第 11.4.1 章節(jié)“背景渲染”。渲染是一種快速有效的方法，無需分割即可完成灰度數(shù)據(jù)的三維可視化。在本案例中，無需開啟渲染。關(guān)閉方法

4、:單擊 View-3D background-Render 圖標(biāo)，取消（圖 1-2）.圖 1-2 關(guān)閉渲染:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn24. 關(guān)閉渲染后, 軟件界面如圖1-3 所示。圖 1-3關(guān)閉渲染后的背景圖1.3.2消除圖像噪聲通過檢查圖像,以將其去除。遞歸注意到數(shù)據(jù)中存在一定能級的噪聲.選擇適當(dāng)?shù)臑V波器可濾波器(Recursive Gaussian filter)是一種典型的濾波器。在某些簡單的情況下，如圖像中噪聲的頻率處在高于特征頻率的一定范圍之內(nèi),遞歸高斯濾波器就可以有效地將噪聲過濾掉。當(dāng)濾波不合適時(shí)，它的使用將會(huì)導(dǎo)致特息的丟失，這種情況下運(yùn)用噪聲衰減濾波器(No

5、ise reduction filter)就顯得十分必要了。本例中,使用濾波器。當(dāng)然，濾波的結(jié)果是否可接受,還是取決于潛在特征的選擇。運(yùn)用遞歸濾波器：1. 點(diǎn)擊 Image prosing Smoothing Recursive Gaussian2. 在遞歸濾波器(Recursive Gaussian)窗口（圖 1-4）a) 在 Apply窗口中選擇 on active background. 濾波器將應(yīng)用到背景中。b) 在 Gaussian sigma 參數(shù)中,輸入 x sigma(pxiels)的值為 1.0,如圖 1-4 所示。并勾選 Cubic values，以保證 Gaussian

6、sigma 的值在 Y 和 Z 方向保持一致。c) 按下 Apply 按鈕，應(yīng)用濾波器:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn3圖 1-4 遞歸濾波器窗口注釋Sigma 參數(shù)會(huì)應(yīng)用到背景上,在這里每個(gè)方向使用等于或略大于 1 個(gè)像素,會(huì)產(chǎn)生比較好的效果.1.3.3目標(biāo)區(qū)域的分割這一圖像適合閾值分割，可使用諸如 Threshold 或 Floodfill 工具.閾值分割首先需要確定合適的閾值界限。eractive Threshold 函數(shù)通過顯示圖像中落于用戶定義界限間的圖像區(qū)域,從而簡化了這一過程。交互閾值需要在蒙板內(nèi)產(chǎn)生作用，因此首先要?jiǎng)?chuàng)建蒙版。創(chuàng)建一個(gè)新的蒙板：1. 在 Data

7、browser 中,Mask（ON）,建立新蒙版2. 選擇 Create new mask 如圖 1-5圖 1-5 在數(shù)據(jù)瀏覽窗口建立新蒙板:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn4現(xiàn)在可以使用交互閥值eractive threshold 功能了。使用圖像閥值分割：1. 點(diǎn)擊2. 在 Thresholda勾選選項(xiàng)。窗框中（圖 1-6）：eractive threshold 里面的 Enable 和 Apply on slider release 兩個(gè)b移動(dòng)閾值滑動(dòng)條來更新當(dāng)前的活動(dòng)視圖。它能幫您找到分割數(shù)據(jù)組的正確值。在這個(gè)例子中，40 的較低值（Lower value）、255 的較

8、高值（Upper value）看起來比較合適。c 在蒙板操作（Mask Operation）列表中，選擇會(huì)使當(dāng)前值替換以前的分割。Replace with mask，它將de在 Perform on 列表中，選擇 All sli.按下Apply 按鈕。圖 1-6 閥值設(shè)置窗框如圖 1-7，現(xiàn)在您已經(jīng)分割出了目標(biāo)區(qū)域，它的灰度值在40 和 255 之間，而且處在這 個(gè)范圍內(nèi)的點(diǎn)都被紅色顯示。:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn5圖 1-7 在閥值工具處理后的屏幕閾值算法所缺少的一個(gè)特別的性質(zhì)就是連通區(qū)域的保留，即像素的選擇完全基于灰度值，而并沒有在圖像中尋找相連的區(qū)域。但這一特點(diǎn)并不

9、符合真正的 Floodfill 工具，它運(yùn)用了基于閾值的區(qū)域生長算法。填充算法需要閾值，例如在先前定義的，或者在現(xiàn)有的蒙板(40-225)內(nèi)應(yīng)用。運(yùn)用 Floodfill（填充）工具做圖像分割：1右擊 Mask 1 ,并選擇 Toggle visibility（或使用快捷鍵 Ctral+T）2點(diǎn)擊在 FloodFill 面板中（如圖 1-8）：在 Apply列表, 選擇from active background.將下限和上限( Lower and Upper)閾值調(diào)整到 40-255。在 Mode 列表,選擇 3D（local）.d. 在 Mask operation 列表中, 選擇e在 P

10、erform on 列表中,選擇 All sliCreate new mask.:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn6圖1-8Floodfill 面板4. 運(yùn)用填充，左鍵點(diǎn)擊屬于的一個(gè)像素點(diǎn)，注意不要選中空氣（例如,像素點(diǎn)13,36,0）如圖1-9圖1-9 應(yīng)用Floodfill（藍(lán)色蒙版）的:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn7注釋因?yàn)檩^低值和較高值一直實(shí)時(shí)更新，所以有時(shí)更容易先鍵入較高值，再寫入較低值。創(chuàng)建分割蒙板的三維預(yù)視圖：1. 可視化 Mask 1，將顯示兩個(gè)蒙版。2. 點(diǎn)擊 3D preview General Mpreview來建立 3D 預(yù)覽。創(chuàng)建預(yù)覽后

11、，界面如圖如圖 1-10 所示。包含包含了一個(gè)整體連通的有的“島嶼”（由閾值得到）。可以看到現(xiàn)在有兩個(gè)不同顏色的蒙板。Mask2空間（通過填充得到），Mask1仍舊包含所圖 1-10 在建立3D 預(yù)覽圖后的 3D 模型預(yù)覽1.4 網(wǎng)格剖分和導(dǎo)出（使用 Scan IP 圖像處理模塊和+FE 有限元模塊）這一節(jié)將描述準(zhǔn)備和輸出模型的三個(gè)方法；首先是輸出STL，然后是 FE，最后是 CFD。1.4.1 輸出用于快速原型的表面模型在這一小節(jié)，要?jiǎng)?chuàng)建適用于快速原型的STL 文件。創(chuàng)建表面模型：1. 在 Home中的 M組里，點(diǎn)擊 new surface m（圖 1-11）；圖 1-11 建立一個(gè)新的表面

12、模型:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn82. 在 Dataset browser，拖曳Mask2 到 M1（Surface，active）3. 新模型會(huì)在 Working dataset 中改變。檢查 working dataset 是否轉(zhuǎn)變?yōu)镸s 模式，如圖 1-12 所示圖 1-12 從 Masks 開關(guān)變?yōu)?Ms 模式設(shè)置模型并劃分網(wǎng)格：1. 右鍵單擊當(dāng)前活動(dòng)模型（Mask 2）并選擇模型配置（M圖 1-13。configuration）如圖1-13 打開配置模型框注釋你也可以打開 M框，在 Dataset browser 中雙擊模型名稱；或者通過點(diǎn)擊configurati

13、on或通過使用快捷鍵Ctrl+MSurface m Msetup Setup m2. 設(shè)置 Mconfiguration（圖 1-14）：a將輸出格式（Export type）選為 STL（RP）；b在 General中勾選 Use smart mask smoothing，并留下其他默認(rèn)設(shè)置。這將在生成網(wǎng)格之前保證幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持平滑。:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn9圖 1-14 在配置模型框中的一般c在表面設(shè)置（Surfaetting）頁中（圖 1-15），勾選批量衰減（Decimate） 并選擇 Reduction in %，設(shè)置其值為 10。這個(gè)設(shè)置將使表面三角面片

14、減少 10%。保留 Use triangle smoothing 的默認(rèn)值 10。圖 1-15 表面設(shè)置d.點(diǎn)擊 Close 繼續(xù)注釋smart mask smoothing 將對體素運(yùn)用拓?fù)浜腿莘e保持的平滑。triangle smoothing 對表面的三角面片運(yùn)用平滑算法來改善質(zhì)量。3. 在三維視圖中，選擇模型界面（Ms）并切換到全模型（Fullm），如圖 1-16。圖 1-16 在表面模型窗口的全模型命令4. 網(wǎng)格操作選項(xiàng)應(yīng)用后與圖 1-17 應(yīng)該相類似。:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn10圖 1-17 表面的上的頂點(diǎn)視圖輸出 STL 模型：輸出三維視圖中可見模型的 ST

15、L 文件，在三維視圖 General Export 輸出（Export）鍵。里點(diǎn)擊1.mSurface將會(huì)出現(xiàn) STL 輸出框（圖 1-18）：2.ab視您的需要選擇ASCII 或是Binary 的STL 文件類型；點(diǎn)擊輸出（Export）。圖 1-18STL 輸出框輸出 a b現(xiàn)在STL（RP）的框?qū)⒊霈F(xiàn)：3.選擇保存的位置和文件名，例如 auxetic1_50.stl;點(diǎn)擊保存（Save）輸出 STL 文件。已經(jīng)獲得 STL 文件，如果想得到 FE 和CFD 的模型請繼續(xù)。:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn111.4.2輸出用于FEA 的模型在本例中，創(chuàng)建一個(gè)用于在 LS-D

16、YNA中進(jìn)行有限元分析的網(wǎng)格。目標(biāo)是建立一個(gè)具有節(jié)點(diǎn)組和表面的網(wǎng)格，以便能夠?qū)胫练抡孳浖M(jìn)行分析。創(chuàng)建新的FE 模型：1. 在 Dataset browser, 右擊 Ms 并選擇 Create a new FE m（圖 1-19）或者點(diǎn)擊 Home Ms New FE圖 1-19 建一個(gè)新的 FE 模型2. 確保新的（FE）.FE 模型為 active 狀態(tài)，在 Dataset browser 中左擊模型名稱 M23. 拖曳 Mask 2 到M2（FE，active）設(shè)置和網(wǎng)格模型2 ，打開 M框。Mtype 為 FE，輸出格式1.MConfiguration在 M框中，選擇模型類型2.c

17、onfigurationExport type 為 LS-Dyna volume (solid/ss)在 General認(rèn)值。頁中（圖 1-20），勾選 Use smart mask smoothing，其他保留默3.圖 1-20 模型設(shè)置的Geleral 選項(xiàng)卡:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn124. 在頁中（圖 1-21）：Volume meshing在 Mesh creation algorithm 下拉菜單中，保留默認(rèn)值?；?FE Grid 算法建立網(wǎng)格，提供高質(zhì)量的六面體和四面體單元的網(wǎng)格模型 Mixed Hexahedra/tetr ahdra(linear) 。

18、如需改為全四面體網(wǎng)格，可在單元類型 Elements type 的設(shè)置框中進(jìn)行選擇。a.在 Other options 中選擇 Also Export Surface m（STL），這將輸出一個(gè)基b.于 FE 模型擴(kuò)展的 STL 模型.（Other Options 在 Show advanced paraments 處于收起狀態(tài)時(shí)可見）圖 1-21 在模型配置框中的體網(wǎng)格頁5. 在頁中（圖 1-22）：Materials把 Material type 設(shè)置為 Homogeneous（均質(zhì)）現(xiàn)在能輸入一些值來建立一個(gè)線性經(jīng)典材料模型（如圖 1-22)a.b.圖 1-22 材料頁:客戶服務(wù)：400

19、 888 5100郵箱 .cn136. 在 Contacts頁中，選擇 From Mask 2To Mask2 并且點(diǎn)擊 Add contactPair ，如圖 1-23 所示。這將建立一個(gè)自接觸的條件。在會(huì)顯示所連接的部件。Summary 選框中，將圖 1-23 連接頁(模型配置框)7. 在 Node Sets頁中，（圖 1-24）選擇重復(fù)to Boundary_Zmin，并點(diǎn)擊 Add Node setto Boundary_Zmax.From Mask2From Mask2c. 這樣就會(huì)建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)集，來約束底部條件。并且允許應(yīng)用到頂部的邊界位移8. 點(diǎn)擊 Close 關(guān)閉 Mconfi

20、guration:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn14圖 1-24Node set General 選項(xiàng)卡中，點(diǎn)擊 Full m頁9. 在 FE m，來創(chuàng)建新的體網(wǎng)格。將出現(xiàn)示。s 進(jìn)度條，在完成計(jì)算之后，Scan IP的體網(wǎng)格如圖1-25 所Meshing pro圖 1-25 完成FE 網(wǎng)格:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn15查看網(wǎng)格質(zhì)量信息點(diǎn)擊查看已生成的單元質(zhì)量和數(shù)量（圖，或者在工作區(qū)直接切換 Log 1-26）。，在此圖 1-26網(wǎng)格質(zhì)量信息在統(tǒng)計(jì)。In-out aspect ratio - Mean（各面的入出比中值）是傳統(tǒng) +FE 衡量標(biāo)準(zhǔn)，以最小質(zhì)量

21、為目標(biāo)。 在本例中，此數(shù)值已經(jīng)達(dá)到了 0.6，一般來講，只要超過 0.1都可以認(rèn)為是高質(zhì)量的網(wǎng)格。此外， Edge lengspect ratio-Mean（各面邊緣長度比中值）作為比較值給出。通常允許的最大值為10。本例中平均比值為 1.9，的是 7.6。導(dǎo)出 FE 模型1. 保存網(wǎng)格，并點(diǎn)擊 FEmGeneralExport2. 在導(dǎo)出網(wǎng)格后會(huì)出現(xiàn) Export Summary框，如圖1-27 點(diǎn)擊 Close 以繼續(xù)。:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn16圖 1-27Export Summary框3. 現(xiàn)在將導(dǎo)出 STL 表面模型，按照前面在 Mconfiguration

22、中的設(shè)置。如果不需要，點(diǎn)擊如果需要保留輸出NO 取消；STL 文件，則點(diǎn)擊 YES；c. 選擇 ASCII 或者 Binary 決定輸出的 STL 類型。已經(jīng)創(chuàng)建好的 FE 網(wǎng)格，可用于在 LS-DYNA中進(jìn)行有限元分析。如果您想創(chuàng)建一個(gè) CFD 網(wǎng)格，請繼續(xù)學(xué)習(xí)下面的指導(dǎo)。1.4.3輸出用于CFD 分析的模型這一章節(jié)，動(dòng)。因此，要?jiǎng)?chuàng)建 CFD 網(wǎng)格來使用 FLUENT模擬空氣通過的流首先需要建立一個(gè)新的蒙板來定義空氣的區(qū)域，通過和逆向蒙板能夠?qū)崿F(xiàn)。建立流體區(qū)域1. 回到的工作區(qū)域。M2. 在3.Dataset browser 的頂部切換s 模式為 Masks 模式。Mask2 ，即右擊 Ma

23、sk 2 的名字，選擇 Duplicate（如圖 1-28 ），這將建立一個(gè)新的蒙版，命名為：Copy of mask2 。另外，雙擊蒙版也能直接.:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn17圖 1-28蒙版圖 1-29Mask2 的補(bǔ)集4. 逆向（求補(bǔ)集）Mask 2，右擊 copy of mask 2，選擇operation Invert on all sli5. 重新命名 Copy of mask2 為 Air，選中蒙版名稱之后按 F2 鍵，鍵入新名稱。6. 隱ask1 和 Mask2，分別兩個(gè)蒙版并選擇 Toggle visible.7. 預(yù)覽結(jié)果，點(diǎn)擊 3D preview

24、General M，如圖 1-29。preview建立 CFD 模型1. 切換為 ms mode，在 Dataset browser 的頂部選擇 Ms.2. 在 Dataset browser 中,右擊 M1-30s（ON）并且選擇如圖creat a new CFD m圖 1-30 建立CFD 模型:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn18拖拽 Air 蒙版到新的模型，這個(gè)例子是 M3. 重命名為 Airflow volume3（CFD）配置模型與剖分網(wǎng)格打開 M框，右擊 M3（CFD）并選擇 M1.configurationconfiguration在為在在a.框改變 MType

25、為 CFD ,輸出格式 Export type2.MconfigurationFluent volumeGeneral 中，選中 Use smart mask smoothing， 其他保持默認(rèn)值。3.Volume meshing（體網(wǎng)格）頁中（圖 1-31）：4.在 Meshing algorithm selection（網(wǎng)格化分算法選擇）中，將算法改為 +FE- Free。將網(wǎng)格的 Compoundcoarseness（粗糙度）改為的情況下減少單元數(shù)量。-25，這會(huì)在維持模型細(xì)節(jié)b.圖1-31 網(wǎng)格配置框在，確認(rèn) Material type 為 Fluid5.Materials在邊界條件（

26、Boundary Conditions）中，建立流入速度velocity inlet 和壓力6.出口 prere outlet，分別在 Zmin 和列操作Zmax 來模擬外部條件下的。執(zhí)行下:客戶服務(wù)：400 888 5100郵箱 .cn19a. 選擇To boundary_Zmin ，點(diǎn)擊 Add surfaceForm Airb. 在 Summary 中看到已建立的條件。在此可以進(jìn)行編輯，點(diǎn)擊條件 Air- Boundary-Zmin（wall），然后將 boundary condition type 從 wall 改為 velocity inlet ，如圖 1-32注釋在默認(rèn)情況下,所有接口和外部條件都將被設(shè)置為:wall，在FLUENT 的輸出格式下圖 1-32