علوم و فناوری کامپوزیت

مدل‌سازی ساده المان محدود ساختارهای صفحه‌ای کامپوزیتی با استفاده از روش پردازش تصویر دیجیتال در متلب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 مربی، دانشکده مهندسی مکانیک، موسسه آموزش عالی احرار، رشت، ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد انزلی، بندرانزلی، ایران

4 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

5 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت ، ایران

6 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

در این مقاله، روشی جدید برای مدل‌سازی المان محدود ساختار‌های صفحه‌ای متشکل از چند ماده متفاوت با استفاده از تنها یک تصویر ورودی اریه شده است. این روش که در یک برنامه متلب تعبیه شده مبتنی بر پردازش تصویر دیجیتال می‌باشد. پس از انتخاب یک عکس دیجیتال توسط کاربر، برنامه به‌طور اتوماتیک تصویر ورودی را به فرمت باینری تبدیل می‌کند. سپس، سطح داخل ساختار مدنظر در عکس ورودی و مرز آن بر اساس اختلاف رنگ پیکسل‌های تشکیل دهنده شناسایی می‌شوند. مرز ساختار و سطح داخلی تشخیص داده شده به‌طور جداگانه و با اتصال پیکسل‌های آن‌ها به یکدیگر المان‌بندی می‌شوند. خروجی برنامه یک فایل در فرمت آی‌ان‌پی است که شامل مختصات نقاط مدل المان محدود، نحوه اتصال آن‌ها و همچنین ماده تشکیل دهنده هر مقطع می‌باشد که در طی فرآیند مدل‌سازی توسط کاربر تعیین شده است. نتایج حاصل بیانگر دقت بسیار بالای روش در مدل‌سازی ساختارهای صفحه‌ای کامپوزیتی با شکل هندسی پیچیده در مدت زمان بسیار کوتاه است. همچنین، نتایج به‌دست آمده از تحلیل عددی مدل خروجی دارای مطابقت کمی و کیفی مطلوب با نتایج تجربی ارایه شده پیشین می‌باشد. روش پیشنهاد ‌شده در این مقاله زمینه مستحکمی را برای مدل‌سازی‌های واقع‌گرایانه آینده از ساختارهای صفحه‌ای کامپوزیتی فراهم می‌نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Simple finite element modeling of planar composite structures using digital image processing technique in Matlab

نویسندگان [English]

  • Shahab Eshghi 1
  • Hamed Rajabi 2
  • Abolfazl Darvizeh 3
  • Vahid Nooraeefar 4
  • Majid Alitavoli 5
  • Hashem Babaei 6

1 Department of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran

2 Department of Mechanical Engineering, Ahrar Institute of Technology and Higher Education, Rasht, Iran

3 Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Anzali Branch, Bandar Anzali, Iran

4 Department of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran

5 Department of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran

6 Department of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran

چکیده [English]

In this article, a new method for finite element modeling of planar multi-material structures, using only an input image, has been presented. This method which is implemented in a Matlab program is based on digital image processing technique. After importing a digital image by the user, the program automatically converts it into a binary format. The inner part and the boundary of the desired structure in the input image are recognized based on the difference between the colors of their pixels. These two regions are meshed separately by connecting their pixels to each other. The output of the program is a file in INP format which includes the coordinates of the nodes of the finite element model, their connections and the material of each part which has been defined by the user during the modeling process. The obtained results indicate the high accuracy of the method in the modeling of planar composite structures with complicated geometries in a very short time. Further, the results from the numerical analysis of the output model are in a good qualitative and quantitative agreement with the previous experimental data. The presented method in this article provides a strong background for future realistic modeling of planar composite structures.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Composite
  • Modeling
  • Finite element
  • image processing
  • multi-material structures
مراجع
 
[1]    Thompson, D. W., “On Growth and Form,” second ed., Cambridge University Press, Cambridge, 1968.
[2]    Currey, J. D. “Bones: Structure and Mechanics,” Princeton University Press, New Jersey, 2002.
[3]    Vincent, J.F.V., “Structural Biomaterials,” revised ed., Princeton University Press, New Jersey, 1991.
[4]    Dickinson, M.H., Lehmann, F. O. and Sane, S. P., “Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight,” Science, Vol. 248, pp. 1954–1960, 1999.
[5]    Sudhakar, Y. and Vengadesan, S., “Flight Force Production by Flapping Insect Wing In Inclined Stroke Plane Kinematics,” Computers and Fluids, Vol. 39, pp. 638–695, 2010.
[6]    Le, T.Q. Byun, D.Y. Saputra, S. Ko, J.H. Park, H.C. and Kim, M.J., “Numerical Investigation of the Aerodynamic Characteristics of a Hovering Coleopteran Insect,” Journal of Theoretical Biology, Vol. 266, pp. 485–495, 2010.
[7]    Le, T.Q. Ko, J.H. Byun, D.Y. Park, S.H. and Park, H.C., “Effect of Chord Flexure on Aerodynamic Performance of a Flapping Wing,” Journal of Bionic Engineering, Vol. 7, pp. 87–94, 2010.
[8]    Darvizeh, A. Shafiee, N. Darvizeh, M. Habibollahi, and H., Rajabi, H., “Investigation of the Effects of Constructional Elements on the Biomechanical Behavior of Desert Locust Hind Wing,” In Persian, The Modares Journal of Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 14, pp.235-244, 2014.
[9]    Rajabi, H. Moghadami, M. and Darvizeh, A. “Investigation of Microstructure, Natural Frequencies and Vibration Modes of Dragonfly Wing,” Journal of Bionic Engineering, Vol. 8, No. 2, pp. 165-173, 2011.
[10]  Rajabi, H. Ghoroubi, N. Darvizeh, A. Dirks, J.H. Appel, E. and Gorb, S.N., “A Comparative Study of the Effects of Vein-Joints on the mechanical Behaviour of Insect Wings: I. Single joints,” Bioinspiration and Biomimetics, Vol. 10, No. 5, pp. 056003, 2015.
[11]  Darvizeh, M. Darvizeh, A. Rajabi, H. and Rezaei, A. “Free Vibration Analysis of Dragonfly Wings using Finite Element Method,” International Journal of Multiphysics, Vol. 3, No. 1, pp. 101-110, 2009.
[12]   Huai-Hui, R. Xi-Shu, W. Ying-Long, C. and Xu-Dong, L., “Biomechanical Behaviors Of Dragonfly Wing: Relationship Between Configuration And Deformation,” Chinese Physics B, Vol. 21. No.3, pp. 034501, 2012.
[13]  Kesel, A. B. Philippi, U. and Werner N., “Biomechanical Aspects Of The Insect Wing: An Analysis Using The Finite Element Method,” Computers in Biology and Medicine, Vol. 28, No. 4, pp. 423-437, 1998.
[14]  Herbert, R. C. Young, P. G. Smith, C. W. Wootton, R. J. and Evans K. E., “The Hind Wing Of The Desert Locust (Schistocerca Gregaria Forskal) III. A Finite Element Analysis Of A Deployable Structure,” Journal of Experimental Biology, Vol. 203, pp. 2945–2955, 2000.
[15]  Darvizeh, A. Anami Rad, S. Darvizeh, M. Ansari, R. and Rajabi, H., “Investigation of Microstructure and Mechanical Behavior of Woodlouse Shells Using Experimental Methods and Numerical Modeling,” The Modares Journal of Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 7, pp. 183-190, 2014.
[16]  Rajabi, H. and Darvizeh, A., “Experimental Investigations of the Functional Morphology of Dragonfly Wings,” Chinese Physics B, Vol. 22, No. 8, pp. 088702, 2013.
[17]  Rajabi, H. Rezasefat, M. Darvizeh, A. Dirks, J-H. Eshghi, Sh. Shafiei, A., Mirzababaie Mostofi, T. and Gorb, S. N., “A Comparative Study Of The Effects Of Constructional Elements On The Mechanical Behaviour Of Dragonfly Wings,” Applied Physics A, Vol. 122, No. 1, pp. 1-13, 2016.
[18]  Rajabi, H. Darvizeh, A. Shafiei, A. Taylor, D. and Dirks, J.H., "Numerical Investigation of Insect Wing Fracture Behaviour," Journal of biomechanics, Vol. 48, No. 1, pp. 89-94, 2015.
[19]  Jongerius, S. R. and Lentink, D., "Structural Analysis Of A Dragonfly Wing," Experimental Mechanics, Vol. 50, No. 9, pp. 1323-1334, 2010.
[20]  Abouelatta, O.B., "Classification of Copper Alloys Microstructure using Image Processing and Neural Network," Journal of American Science, Vol. 9, No. 6, 2013.
[21]  Chen, S. Yue, Z. Q. and Tham, L. G., “Digital Image-Based Numerical Modeling Method For Prediction Of Inhomogeneous Rock Failure,” International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 41, No. 6, pp. 939-957, 2004.
[22]  Li, D. and Wong, L. N. Y., “The Brazilian Disc Test For Rock Mechanics Applications: Review And New Insights,” Rock mechanics and rock engineering, Vol. 46, No. 2, pp. 269-287, 2013.
[23]  Zhu, W. C. Liu, J. Yang, T. H. Sheng, J. C. and Elsworth, D., “Effects Of Local Rock Heterogeneities On The Hydromechanics Of Fractured Rocks Using A Digital-Image-Based Technique,” International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 43, No. 8, pp. 1182-1199, 2006.
[24]  Chen, S. Yue, Z. Q. and Tham, L. G., “Digital Image Based Approach for Three-Dimensional Mechanical Analysis of Heterogeneous Rocks,” Rock mechanics and rock engineering, Vol. 40, No. 2, pp. 145-168, 2007.
[25]  Yue, Z. Q. Chen, S. and Tham, L. G., “Finite Element Modeling of Geomaterials Using Digital Image Processing,” Computers and Geotechnics. Vol. 30, No. 5, pp. 375-397, 2003.
[26]  Li, X. Zhang, J. Liu, K. and Zhang, X. N., “Finite Element Modeling of Geomaterial Using Digital Image Processing and Computerized Tomography Identification,” Yantu Lixue (Rock and Soil Mechanics), Vol. 27, No. 8, pp. 1331-1334, 2006.
[27]  Jin, T. Goo, N. S. and Park, H. C., "Finite Element Modeling Of A Beetle Wing." Journal of Bionic Engineering, Vol. 7, pp. S145-S149, 2010.
[28]  Huber, M., “The Theory Of Crosswise Reinforced Ferroconcrete Slabs And Its Application To Various Important Constructional Problems Involving Rectangular Slabs,” Der Bauingenieur 4, Vol. 12, pp. 354-360, 1923.
[29]  Abaqus analysis user's manual, Version 6.10, Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI, USA, 2010.
 
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 3، شماره 2
شهریور 1395
صفحه 195-202
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار