(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221075497 7.7 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨 浦区四平路1239号 (72)发明人 薛大为　吕玺琳　黄茂松　 (74)专利代理 机构 上海科律专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 31290 专利代理师 刘莹 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种将计算机断层扫描数据传输至有限元 模型的映射方法 (57)摘要 本发明公开一种将计算机断层扫描数据传 输至有限元模 型的映射方法， 基于计算机断层扫 描数据， 确定用于传输材料点的状态变量和/或 材料参数的代表性体积元尺寸； 建立对应的数值 计算模型， 输出有限元网格单元编号以及内部高 斯积分点坐标； 将有限元网格与试验试样重叠， 确定高斯积分点对应的试样材料点坐标， 根据选 定的代表 性体积元尺寸和断层扫描数据， 计算该 材料点的状态变量和/或材料参数， 并赋予对应 的高斯积分点， 将计算机断层扫描数据传输至有 限元模型， 作为有限元计算分析的初始条件， 从 而在有限元数值计算中考虑材料初始空间异质 性。 本发明的优点是有效解决了有限元模拟中无 法考虑真实颗粒材料空间异质性导致的数值计 算结果失真难题。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 115270546 A 2022.11.01 CN 115270546 A 1.一种将计算机断层扫描数据传输至有限元模型的映射方法， 其特征在于： 基于计算 机断层扫描 数据， 确定用于传输材料点的状态变量和/或材料参数的代表性体积元尺寸； 建 立对应的数值计算模型， 输出有限元网格单元编号以及内部高斯积分点坐标； 将有限元网 格与试验试样重叠， 确定高斯积分点对应的试样材料点坐标； 根据选定的代表性体积元尺 寸和断层扫描数据， 计算该材料点的状态变量和/或材料参数， 并赋予对应的高斯积分点， 将计算机断层扫描数据传输至有限元模型， 作为有限元计算分析 的初始条件， 从而在有限 元数值计算中考虑材 料初始空间异质性。 2.根据权利要求1所述的将计算机断层扫描数据传输至有限元模型的映射方法， 其特 征在于： 包括如下的步骤： S1： 读取计算机断层扫描获取的像素数据， 数据类型为1代表实体颗粒的存在， 数据类 型为0代表颗粒间存在的孔隙， 并据此生成试样可视化剖面； S2、 选取任意材料点， 利用代表性体积元概念， 计算该材料点附近子区域内部的状态变 量或者参数； S3、 根据任一子区域状态变量和/或材料参数随代表性体积元尺寸变化的波动， 获得不 同代表性体积元尺 寸下的子区域内的状态变量和/或材料参数， 绘出状态变量和/或材料参 数随代表性体积元尺寸变化的关系曲线， 根据波动稳定趋势， 确定用于数据传输的代表性 体积元尺寸； S4、 建立有限元分析模型， 并划分为四节点实体单元， 进一步输出所有单元体编号以及 内部高斯积分点 坐标； S5、 确定高斯积分点对应的试样材料点： 将有限元数值模型与试验试样重叠， 确定与有 限元模型中的高斯积分点对应的试样内部对应的材 料点空间位置； S6、 利用已确定的代表性体积元尺寸以及断层扫描数据， 计算已确定的所有材料点子 区域内的状态变量和/或材料参数， 并根据单元编号和高斯点坐标， 通过子程序 平台将计算 结果映射回对应的有限元模型高斯积分点， 作为有限元计算的初始条件； S7、 提交计算， 通过改变需要映射的状态变量和/或材料参数， 获得不同情况下的材料 空间异质性。 3.根据权利要求2所述的将计算机断层扫描数据传输至有限元模型的映射方法， 其特 征在于： 步骤S1具体包括： S11、 利用有限元分析平台编写子程序， 获得灰度图的读取函数， 将计算机断层灰度图 数据读取至数值矩阵中， 该数值矩阵包含试样中每个像素点的灰度数据， 像素点级别的数 据为1时， 代 表颗粒实体， 而像素点级别的数据为0时， 代 表颗粒间的孔隙； S12、 利用绘图函数， 将灰度矩阵中的像素点进行可视化， 数据类型为1的像素点赋予黑 色， 数据类型为0的像素点赋予灰色， 生成试样可视化剖面。 4.根据权利要求2所述的将计算机断层扫描数据传输至有限元模型的映射方法， 其特 征在于： 步骤S2具体包括： S21、 选取试样内部任意空间位置的材料点， 将以该材料点为中心的子区域用圆柱形代 表体积元描述； S22、 通过孔隙率计算公式计算子区域内部的每个选取的材料点以及代表体积元包围 的子区域内的孔隙率计算结果， 孔隙率值等于子区域内 以0为代表的孔隙像素点个数除以权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115270546 A 2总的像素点； S23、 通过粒径分布计算公式计算子区域内部每个选取的材料点以及代表体积元包围 的子区域内的平均粒径计算结果； 在该步骤中， 首先将子区域内以1为代表的像素点团块等 效为球形颗粒， 球心即为颗粒重心； 若球心是处在该子区域内， 判断整个颗粒处于子区域 内， 反之判断整个颗粒位于 子区域外 。 5.根据权利要求2所述的将计算机断层扫描数据传输至有限元模型的映射方法， 其特 征在于： 步骤S3具体包括： S31、 选取试样内部分布的多个材料点， 分析计算在不同代表体积元尺寸条件下所感兴 趣的孔隙率和颗粒平均粒径； S32、 将不同代表体积元条件下的孔隙率值和颗粒平均粒径值绘图， 并得到其随代表体 积元尺寸变化的波动规律， 根据波动稳定趋势， 确认波动曲线稳定时的尺寸， 即选择大于该 尺寸的代 表体积元。 6.根据权利要求2所述的将计算机断层扫描数据传输至有限元模型的映射方法， 其特 征在于： 步骤S4具体包括： S41、 借助有限元分析平台建立圆柱形有限元 数值计算模型； S42、 在网格模块将模型划分为四节点实体单元， 每个单元具备一个高斯积分点； 利用 子程序将模型内所有单 元体编号以及高斯积分点 坐标输入文本文件内。 7.根据权利要求2所述的将计算机断层扫描数据传输至有限元模型的映射方法， 其特 征在于： 步骤S5具体包括： S51、 根据步骤S42得到的文本文件， 读取高斯积分点坐标数据， 转化为试样内部材料点 的坐标数据。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115270546 A 3