软件影响11（2022）100216原始软件出版物有限元模型的X射线计算机断层扫描数据结构张量方向映射-STXAERobert M.[10]杨伟，张晓刚.作者：Mikkelsenb.放大图片作者：Dahlc.ASPaaChalmers University of Technology，SE-41296 Göteborg，Swedenb丹麦技术大学DTU风能复合材料公司，丹麦罗斯基勒DK-4000c应用数学和计算机科学，DTU计算，丹麦技术大学，DK-2800 Kgs。林比自动清洁装置保留字：X射线计算机断层扫描材料取向分析结构张量方向映射有限元A B标准纤维增强复合材料的精确建模需要各向异性材料模型。 X射线3D图像的结构张量分析已被证明可以提供纤维增强复合材料中局部结构取向的快速和鲁棒的估计。 我们提出了两个映射算法，可用于 将估计的局部方向映射到有限元模型上，以进行更准确的材料建模。这两个函数分别允许元素和集成点映射，并且已经在一个Python笔记本中使用Python实现。这两个函数与之前发布的结构张量代码一起，演示了结构张量X射线计算机断层扫描辅助工程（STXAE）的概念（语音：[stekseIi：]）。代码元数据当前代码版本v01.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2021-183可再生胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/3494546/tree/v1法律代码许可证MIT许可证（MIT）使用的代码版本控制系统无软件代码语言、工具和服务使用Python、Python和Python编译要求、操作环境依赖性Microsoft Windows、Linux如果可用开发人员文档问题支持电子邮件robaue@chalmers.se1. 结构张量X射线CT辅助工程结构张量X射线计算机断层扫描辅助工程（STXAE）是一种基于X射线计算机断层扫描图像数据简化各向异性材料有限元模型建立的新方法。该方法可以作为X射线计算机断层扫描辅助工程（XAE）过程的一部分实施[1]。随着本文，我们提供了一个实现STXAE方法，一本100字的笔记本。该笔记本是基于结构张量的实现和笔记本Jeppesen和达尔[2，3]。这种实现以前曾在[4，5]中使用过。这些研究集中在使用3D X射线计算机断层扫描成像的玻璃纤维增强复合材料中的纤维取向分析它使用结构张量分析来估计每个体素位置处的纤维取向，这作为STXAE的基础。在我们的笔记本中，我们提出了两个新的映射函数。 第一种方法将局部材料方向逐单元地分配到有限元网格上，而第二种方法将局部材料方向逐点地分配到积分上（见图2）。①的人。映射函数适用于连续体（2D，3D）和结构（梁，壳，.）一阶和二阶元素公式的元素。实现的映射函数支持Abaqus™语法。对于逐元素映射，本文中的代码（和数据）已由Code Ocean认证为可复制：（https://codeocean.com/）。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。通讯作者：Department of Industrial and Materials Science，Chalmers University of Technology，SE-41296 Göteborg，Sweden。电子邮件地址：robaue@chalmers.se（R.M. Auenhammer）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2021.100216接收日期：2021年12月15日;接收日期：2021年12月29日;接受日期：2021年12月30日2665-9638/©2022作者。由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsR.M. Auenhammer，N.Jeppesen，L.P.Mikkelsen等人软件影响11（2022）1002162Fig. 1. 为完整有限元模型的几个单元描绘的二阶四面体单元的积分逐点材料取向映射。 蓝色箭头表示积分点周围区域中的主要纤维取向材料取向分析和映射过程由STXAE创建[6]。Abaqus™网格INP文件足以作为输入。另一方面，积分点映射需要一个Abaqus™DAT文件，其中包含所有积分点的坐标。对于具有多个整合点的元素，整合点映射允许更精确的材料方向建模，因为它比元素映射具有更多的映射目标点。映射函数的输出取决于所选择的映射方案。对于积分逐点方案，创建Fortran 77文件，该文件在模拟期间用作Abaqus ™ ORIENT子例程的输入。对于逐元素映射，创建Abaqus™INP文件，其包含通过Abaqus™语法中的所有元素的估计局部材料取向增强的原始Abaqus ™ INP文件。尽管笔记本中演示的映射是为Abaqus™语法设计的，但它可以很容易地适应其他有限元求解器，例如，LS-Dyna™。2. 影响概述3D X射线计算机断层摄影图像数据通过对局部材料密度进行成像来揭示关于被扫描样品内部的材料状态的信息。借助现代图像采集技术，可以轻松采集TB级数据。因此，需要高效、准确且廉价的图像分析和模型创建方法。对于纤维增强复合材料等各向异性材料的建模纤维增强复合材料的标准材料取向分析使用单纤维跟踪[7]，这需要高分辨率图像。基于结构张量的局部结构取向估计不跟踪单个纤维。相反，它估计了特定位置周围区域的主要构造方向。这种方法需要比单个光纤跟踪少得多的计算能力。此外，与单个纤维跟踪方法相比，它对于分析低分辨率图像更稳健[8]。用于STXAE的结构张量方法已在几项研究中进行了测试。Jeppesen等人[4]介绍了结构张量法的实施，用于分析无卷曲织物玻璃纤维增强复合材料中的纤维取向。在另一项研究中，Jeppesen等人[5]在拉挤和预浸碳纤维增强复合材料以及非卷曲织物玻璃纤维增强复合材料上测试了结构张量方法。通过这种分析，他们描述了不同制造技术引起的纤维错位。Salling等人[9]将单个纤维跟踪与结构张量进行了单向玻璃纤维增强热固性复合材料和空气纹理玻璃纤维增强复合材料的方法。两种分割方法显示纤维倾斜度无显著差异。这些研究强调了结构张量方法的优越性，并证明了选择使用这种方法与新的材料取向映射相结合。在文献[6]中，使用STXAE分析了无卷曲织物增强玻璃纤维复合材料在拉伸载荷下的机械应力分布和弹性模量。STXAE已经证明了它的准确性和鲁棒性，即使是低分辨率的图像数据。虽然平均直径为17 μm的单纤维在64 μm的体素尺寸下无法分辨，但获得了可接受的有限元模拟结果。更确切地说，这意味着99。8%的原始图像数据被去除，弹性模量仅被低估了3。与基于原始体素大小的模拟结果相比， 8 μm。这些结果将允许在两个数量级的范围内的更大的模型尺寸。需要进一步的研究来支持这些发现。这里特别是不同的纤维类型，例如，碳或天然纤维，以及纤维叠层，例如，拉挤成型或注塑成型，结合不同的负载情况，例如，压缩，目前正在调查中。特别地，已知单向碳纤维复合材料的压缩失效对小的纤维未对准极其敏感。到目前为止，该载荷情况主要在更一般的情况下[10]和2D [11]中解决。STXAE给出了一个适用的方法来建模和预测的实际三维分布的纤维取向的压缩强度在特定的材料样品的影响。此外，我们认为，该方法是广泛适用于任何各向异性材料的X射线计算机断层扫描可以产生合理的质量的图像数据。当前版本的代码不能直接创建基于所述3D X射线计算机断层摄影数据的有限元模型。用户必须在有限元预处理器中创建网格。这种迂回的原因是，即使是商业预处理器也不能自动执行[6]中研究的复杂纤维复合材料结构的网格划分任务。然而，我们的目标是更新代码，使其能够处理更简单的网格划分任务，从而在一个XAE笔记本中实现完全自动化的XAE过程STXAE的优点可以概括为：(a) 高度稳健和快速的纤维取向分析(b) 适用于不同各向异性材料类型R.M. Auenhammer，N.Jeppesen，L.P.Mikkelsen等人软件影响11（2022）1002163(c) 需要设置(d) 积分逐点映射格式竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认该研究由欧盟地平线2020 Marie Skeliodowska-居里行动创新培训网络资助：用于工程的多尺度，多模式和多维成像（MUMMERING），批准号765604。引用[1]R.M.作者：Auenhammer，L.P. Asp，B.J. Blinzler，用于非卷曲织物增强复合材料有限元分析的自动X射线计算机断层扫描分割方法，Compos。结构。256（2021）113136，http：//dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113136网站。[2] N. Jeppesen ， V.A.Dahl ， 结 构 张 量 v0.1.2 ， Zenodo ， 2021 年 。http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.4573913。[3] N. Jeppesen，V.A. Dahl，A.N. Christensen，A.B. Dahl，L.P. Mikkelsen，使用结构张量表征无卷曲玻璃纤维增强复合材料中的纤维取向，Zenodo，2020年。http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.3877522网站。[4] N. Jeppesen，V.A. Dahl，A.N. Christensen，A.B. Dahl，L.P. Mikkelsen，使用结构张量对无卷曲玻璃纤维增强复合材料中的纤维取向进行量化，IOP Conf. Ser.Mater.Sci.Eng.942 （ 2020 ） 012037 ， http://dx.doi.org/10.1088/1757-899x/942/1/012037。[5] N. Jeppesen，L.P. Mikkelsen，A.B. Dahl，A.N.克里斯滕森，弗吉尼亚州。Dahl，使用结构张量分析制造方法对单向复合材料中纤维取向的量化影响，CompositesA149（2021）106541，http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106541。[6] R.M. 奥恩哈默， N. 杰普森， L.P. 米克尔森， V.A. 达尔 B.J.布林兹勒L.E.无卷曲织物增强复合材料的X射线计算机断层扫描辅助工程方法，复合材料。Sci.技术（2022）提交出版。[7] M.J.爱默生，K.M. Jespersen，A.B. Dahl，K. Conradsen，L. P. Mikkelsen，用于表征 单 向 复 合 材 料 中 纤 维 取 向 的 3D X 射 线 计 算 机 断 层 扫 描 的 单 个 纤 维 分 割 ，Composites A 97（2017）83http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.12.028[8] R. Karamov ， L.M.Martulli ， M. 克 施 鲍 姆 岛 谢 尔 盖 切 夫 ， Y.Swolfs ，S.V.Lomov，随机纤维复合材料中纤维取向的基于Micro-CT的结构张量分析与高保 真 纤 维 识 别 方 法 ， Compos 。 结 构 。 235 （ 2020 ） 111818 ，http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111818。[9] F.B. Salling，N. Jeppesen，M.R. Sonne，J.H. Hattel，L.P. Mikkelsen，使用主成分分析从X射线计算机断层扫描分割单个纤维倾斜度， J. Compos。Mater. 56（2022）83 http://dx.doi.org/10。1177/00219983211052741。[10] D. Liu，不适用Fleck，M.P. Sutcliffe，Compressive strength of fiber compositeswith random fiber waviness，J. Mech. Phys. Solids 52（2004）1481//dx.doi.org/10.1016/j.jmps.2004.01.005网站。[11]D. Wilhelmsson，L.P. Mikkelsen，S. Fæster，L.E. Asp，单向纤维复合材料中平 面 内 剪 切 对 扭 结 平 面 取 向 的 影 响 ， Composites A 119 （ 2019 ）283http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.01.018
