混凝土CT图像的三维重建技术研究

1、混凝土CT图像的三维重建技术研究田威1，党发宁2，陈厚群2,3（1.长安大学，建筑工程学院 西安710061； 2.西安理工大学 岩土工程研究所， 西安710048；3.中国水利水电科学研究院工程抗震中心，北京100044）摘 要：为了建立更加真实的三维混凝土细观模型，进行破损机理的分析。本文利用三维图像处理软件MIMICS对原始的CT图像进行预处理，实现了混凝土真实细观结构的三维重建，将重建结果导入到大型商业有限元软件ANSYS中，建立了更加能准确表征混凝土细观非均质性的三维有限元数值模型。在此基础上，对重建的细观有限元模型进行了数值模拟，并与其它有限元模型的分析结果进行了比较。结果表明：本

2、文所建立的三维混凝土细观模型可以弥补传统随机混凝土骨料模型的不足，较好的反映出了混凝土材料内部的力学特性，为最终能够深入研究混凝土材料的细观破损机理开辟新的途径。关键词：岩土力学；混凝土；CT图像；三维重建；数值模拟中图分类号： 文献标识码：AResearch on Three Dimensional Reconstruction Technology of Concrete Based on CT Images TIAN Wei1 ,DANG Faning2 , CHEN Houqun2、3(1.School of Civil Engineering, Chang'an Univer

3、sity Xian 710061；2.Institute of Geotechnical Engineering， Xian University of Technology，Xian 710048，China；3. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100044， China )Abstract：In order to build the real 3-D meso-concrete model ,which analyzed the damage-fracture mechanism, Th

4、e CT images were pretreated in the MIMICS software of 3-D digital image processing, concrete real meso-level structure was reconstructed, and the data were imported the ANSYS, thus the 3-D finite element numerical model was constructed, which was described meso heterogeneity of concrete. On the basi

5、s of the results, the meso finite element model was numerical simulated. By comparing the simulation results with other finite model analyzed results, it was shown that the concrete of 3-D reconstruction model overcome the shortage of traditional Random Aggregate Model and actually reflected mechani

6、cs properties of concrete, Finally a new approach to research the meso damage-fracture mechanism of concrete was provided.Key Words: rock and soil mechanics；concrete；CT image；3-D reconstruction；numerical simulation收稿日期：基金项目：国家自然科学基金重点项目(90510017) ；国家自然科学基金资助项目(50679073)资助；作者简介：田威，（1981）男，博士，研究方向为岩土工

7、程数值仿真，Email：tianwei816 混凝土是一种特殊的天然缺陷材料，由级配骨料、水泥、砂浆及孔隙等组成，其内部结构非常复杂，具有多尺度性和独特的物理和力学性质，是一种工程应用相当广泛的不均匀材料。为了研究的方便，往往忽略混凝土的复杂结构，把混凝土材料视为宏观连续体。在此基础上，化繁为简进行混凝土结构分析，这对解决工程问题是非常重要和必要的。但是这种研究模式制约了人们对于混凝土材料在各种静动荷载作用下内部裂纹萌生、扩展、贯通直至宏观裂纹形成至失稳破裂过程的研究，也无法反映混凝土断裂过程中表现出来的局部化和应力重分布等特征，更无法准确反映混凝土骨料的集合特征参数（骨料粒形、粒径）、配合比

8、参数和各种掺料等对混凝土或改性混凝土物理力学特性的影响。研究各种空间尺度缺陷对混凝土材料的变形、破坏和稳定性所起的作用，或者作用的大小，是目前混凝土材料研究所面临的最深刻而又最艰难的课题之一1。为了解决以上问题，以细观层次为基础的混凝土数值模拟方法应运而生。这种方法把混凝土看成是由骨料、界面和砂浆组成的非均质复合材料，充分考虑了骨料分布的随机性、材料的非均匀性和各组分之间的相互作用影响，采用力学理论对这类复合材料的试件进行结构分析，研究其承受荷载后的破坏机理，并通过和试验结果对比，比较真实地揭示混凝土损伤和微裂缝的发展过程，可以为准确地描述混凝土的宏观力学行为提供有力的依据。而研究混凝土的细观

9、破损机理最重要的途径之一就是数值模拟技术。数值模拟技术省时、省力、无仪器限制、可以重复，大批量进行试验，能够模拟许多加载设备难以实现的复杂加载路径，真正用来研究混凝土材料细观破损机理。目前为了在细观层次上对混凝土这种非均质材料的破损过程进行分析，已经建立起了很多的随机骨料数学模型，大连理工大学的王宝庭，宋玉普2提出了刚体弹簧模型（rigid body spring model）；邢纪波3等提出了梁颗粒模型；清华大学的刘光廷4等将混凝土看作是水泥砂浆、骨料和两者间的结合带构成的三相复合材料。马怀发5采用二维数值模型进行了混凝土的破坏过程研究。党发宁6-8利用随机数学方法建立了混凝土细观三维模型。

10、以上方法大多是基于随机数学的理论，所建立的模型皆为随机模型。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，但是虚拟的混凝土骨料的形状和分布毕竟与真实混凝土试样有很大差别。因此，很多学者希望能找到更准确的方法来表述混凝土真实的细观结构。随着计算机科学技术的发展及其与其他各学科间的相互交叉渗透，计算机断层扫描(CT)、磁共振(MR)技术大量使用，以往了解结构的内部构造需要采用连续切片的方法，现在可以用CT扫描来获得结构的内部信息，基于CT图像的三维重建也越来越受到人们的重视。CT图像的三维重建技术得到了快速的发展，岳中琦9等利用CT图像建立了有限元模型并进行了平面受力分析。但以上研究是基于

11、二维模型，不能反应材料真实的空间结构。郝书亮10基于混凝土的CT平面图像信息，运用MATLAB 软件对混凝土的三维细观结构进行了三维重建。重建的结果精度较高，但是重建的单元数目过多，以现有的单机硬件条件无法满足其计算。本文在此基础上运用CT扫描的原始数据信息，建立了更接近于真实结构的混凝土三维细观有限元模型，并对模型进行了初步的有限元计算，为真实反映混凝土材料内部结构和深入研究材料破损机理开辟了新的途径。1混凝土细观结构的三维重建1.1 建模的方法和步骤利用高度集成的比利时三维图像处理软件MIMICS对CT图像进行预处理，导入大型有限元软件ANSYS中，三维重建后得到精细的三维有限元模型。1.

12、2 CT图像的获取本文采用三峡大学仁和医院PHILIPS brilliance 16排螺旋CT机对高120mm，直径60mm的混凝土圆柱体试件沿横断面连续扫描，以层厚5mm，层距5mm进行扫描，获得512*512的CT图像(Dicom格式)，随后进一步获得薄层重建后图像共276张。1.3图像数据的预处理在三维图像处理软件MIMICS中对CT扫描图像数据的质量进行增强，目的是人为突出图像中混凝土骨料的信息，弱化砂浆等次要信息，这样使图像质量更好，有利于分析识别。然后采用阈值(thresholds)方法提取各细观结构，混凝土骨料阈值范围设定为15702976Hu；砂浆阈值范围设定为13751571

13、Hu；孔洞阈值范围设定为-2971374Hu。将提取的组织存放在一个蒙罩(mask)里，采用区域增长(region growing)，腔隙填充(cavity fill)、编辑蒙罩(edit masks)等方法修改蒙罩中的像素，每层图像经以上的编辑处理，去除冗余数据，经3D计算得到一个精细的混凝土三维几何实体模型如图1、2所示。从图中可以看出，经过重建，可以清晰地看到骨料颗粒、硬化水泥砂浆和孔洞等混凝土内部真实的细观结构。 图1三维重建整体图 图2三维重建剖面图Fig.1 3D concrete reconstruction Fig.2 3D concrete reconstruction 图3

14、骨料三维重建图 图4砂浆三维重建图 Fig.3 3D aggregate reconstruction of concreteFig.4 3D mortar reconstruction of concrete2材料参数的确定及有限元模型的建立2.1单元属性的设置为了准确模拟细观混凝土几何形状的特征，同时考虑模型的复杂和划分有限元网格的难度，模型全部采用四面体8节点单元。2.2材料属性的设置经试验测定，混凝土各相组分材料特性参数按表1取值（按中国水电顾问集团西北勘测设计研究院科研所提供的力学试验的结果选取）。表1 混凝土各相组分材料参数Tab.1Material data of concret

15、e components材料 弹性模量/ Pa 泊松比 抗拉强度/Pa骨料 5.8731E10 0.2407 9.25E6砂浆 1.7458E10 0.1960 2.78E62.3有限元模型的建立MIMICS软件中所建三维混凝土实体模型导入ANSYS中，经过单元合并和删减，生成了混凝土细观结构的有限元三维模型(总节点数为402535、单元数为360088个单元)，如图5、6所示。 图5三维有限元网格图 图6三维有限元网格图（底面） Fig.5 3D Mesh model of concrete Fig.6 3D Mesh model of concrete (bottom)3模型的数值计算分析

16、及其验证3.1边界条件该数值计算模型的约束采用真实试样受力时的约束方式如图7所示，在模型底面采用垂直轴向约束，上下底面边沿部分采用水平向约束。图7 约束示意图Fig.7 Model restrict3.2施加荷载为了验证模型的计算可行性，对所重建的三维模型进行有限元数值计算。计算中将荷载当成均匀分布力施加到试样的上表面，试件所加荷载与CT试验保持一致，共分九步加载。但是由于有限元模型单元数目过多，受现有计算机计算能力的限制，对计算过程必须进行一定的简化，本章采用非线性弹性本构关系，进行一次加载计算，施加荷载21.23MPa。 3.3 数值计算结果 (a)试件水平方向位移 (b)试件垂直方向位移

17、Fig.(a) Horizontal displacement Fig.(b)Vertical displacement (c)试件水平方向应力 (d)试件垂直方向应力Fig.(c) Horizontal stress Fig.(d)Vertical stress图8 有限元数值计算结果Fig.8 FEM computation results试件垂直方向位移连续变化，分布规则，呈现从上向下逐渐降低的趋势，最大垂直方向位移发生在试件顶部。水平位移基本上呈现左右两边向中间降低的趋势，分布规则。由于孔洞处的应力集中，使得试件水平应力和垂向应力分布极不均匀，将计算结果与文献（6,8）的计算结果和CT

18、试验结果进行对比，第一步加载后的位移、应力计算结果相近，说明本文所重建的三维模型是比较成功的。4结论在细观层次上对混凝土这种非均质材料的力学特性，进行准确的刻画，已经建立起了很多的随机骨料数学模型，但是虚拟的混凝土骨料的形状和分布毕竟与真实混凝土试样有很大差别。随着CT技术的广泛应用，基于CT图像的三维重建也越来越受到人们的重视。本文直接从CT扫描的数据入手，对混凝土三维细观结构进行重建，以期待可以得到混凝土内部真实的细观结构。（1）不同于现有基于随机抽样原理的混凝土细观建模方法，提出了基于CT图像信息三维有限元建模方法。各组分的位置依据真实试件的CT平面图像信息产生，从而使有限元模型更接近于

19、真实的混凝土结构，数值模拟的精度进一步提高。（2）基于MIMICS环境下CT切片图像的三维重建法。该方法利用现有的3D图像生成及编辑处理软件对CT图像进行三维重建，可以最大程度的恢复CT图像的影像，改善图像质量。该方法更加简便，重建图形更加精确，建立起的物体的三维视觉效果非常好。但是应用该方法进行三维重建，生成的三维模型的单元数量仍非常巨大，无法进行大规模的数值计算。（3）虽然新建立的三维重建模型还存在着众多不足，就目前来说在数值模拟中的效果还不如现有的模型，但是三维重建模型是混凝土真实细观结构的反映，得到的骨料分布是混凝土内部真实的骨料位置，随着对模型的进一步优化和并行计算的开展，三维重建模

20、型的优势会越来越得到体现。参考文献1.CHEN Hou-qun, DING Wei-hua, PU Yi-bin, DANG Fa-ning. Real time observation on meso fracture process of concrete using X-ray CT under uniaxial compressive condition J.Journal of Hydraulic Engineering, 2006，37(9)：1044-1050.陈厚群, 丁卫华, 蒲毅彬, 党发宁.单轴压缩条件下混凝土细观破裂过程的X射线CT实时观测J.水利学报，2006，37(

21、9)：1044-1050.2.WANG Bao-ting, SONG Yu-pu, ZHANG Yan-kun. Simulation of concrete micro-crack behavior on RBSMJ, Engineering mechanics, 1990，16(2)：140-144.王宝庭,宋玉普,张燕坤.基于刚体弹簧模型的混凝土微裂纹行为的模拟J.工程力学, 1990，16(2)：140-1443.XING ji-bo, YU Liang-qun, WANG Yong-jia. 3-D beam-particle model for simulating meso-me

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