基于移动最小二乘曲面的水泥水化微结构演化三维反向建模

Computer simulation for the microstructure evolution in cement hydration has been proven to be an effective method for understanding the cement hydration mechanism, predicting cement performance, and improving the design for cement materials. So far, scientists still failed to establish a unified mathematical description for the evolution of cement microstructure, failed to give highly realistic description method and display technology for the appearance of simulated cement phase microstructure, and also failed to control the evolution speed accurately. In order to solve the problem, based on the early research,this project will further explore the reverse modeling method for the microstructure in cement hydration based on actual images and Moving Least-squares Surface algorithm. The project first gets the real images from the microstructure evolution process in cement hydration using MicroCT, and then gets the temporal evolution process of real three-dimensional outline of different phases using image registration,image edge detection,image segmentation and synthesis. Secondly,guided by the obtained outline,the project achieves the moving least-squares surface model that can describe the three-dimensional profile of the whole surface. Thirdly,based on the parameter time series of moving least-squares surface model in different time points, Evolution Computation is adopted to build the kinetic system of parameters to control the hydration rate. Finally, a continuous system model for real 3D microstructure of cement hydration phase is established, an engineering practical simulation prototype for the evolution of cement hydration microstructure is constructed, which lay a solid theoretical foundation for computer aided design of cement materials.

对水泥水化过程中泥浆微结构的演化进行模拟是揭示水化机理、预测性能和改进水泥设计的有效手段。迄今为止，人们仍未能对水泥微结构的演化过程给出完整统一的数学描述，在计算机模拟方面也尚未解决高度逼真的微元外貌描述方法及展示技术、也无法准确地控制模拟微元的演化速率。为解决该问题，本项目将在先期研究基础上进一步探索基于实际数据和移动最小二乘曲面的水泥水化微结构演化过程反向建模问题。采用显微扫描仪获取水泥微元的系列演化图像并经三维配准、边缘检测、分割及合成得到随时间演化的水化过程中各种物相的真实轮廓；然后以该轮廓为指导，得到可描述整体三维轮廓的移动最小二乘曲面模型；根据移动最小二乘曲面模型在不同时间点的参数时间序列，利用进化计算为其构建参数动力系统来控制水化速率。最终建立起面向真实三维结构的水泥水化微结构演化的连续系统模型，形成接近工程实用的仿真平台，为实现水泥材料的计算机辅助设计奠定坚实的理论基础。

作为一种重要的基础建筑材料，水泥得到了极其广泛的应用。高性能水泥产品的设计及性能分析需要对水泥水化微观结构及演化过程进行深入研究，由于水化过程复杂且难以直接观测，该领域的理论研究和工程应用严重滞后。计算机材料学为这一问题的解决带来了曙光。本项目将先进的三维建模技术、智能计算理论与传统的水泥材料学实验相结合，揭示水泥水化过程的微观形貌演化过程及其影响，从而有助于于提高水泥产品的研究水平和生产质量。基于得到的显微断层扫描图像，项目组研究了水泥微观结构图像的三维配准方法，获得动态真实三维微观结构的演化数据；利用配准得到的三维图像，进一步采用边缘检测、图像分割和合成等技术，得到并分析水化过程中各物相的演化情况；构建基于移动最小二乘的水泥微结构图像曲面拟合模型；基于观测数据反向抽取了水泥水化动力学模型。项目还采取多种不同方法对水泥水化性能进行预估分析，探索微观结构演化过程对水泥性能的影响。相关计算在GPU环境下进行了并行加速，在支持算法研究的同时，便于下一步在小型超算平台上构建可用于工程设计的虚拟仿真环境。项目执行过程中利用最新的高分辨率扫描设备完善了水泥微观结构图像库，为进一步提高模型的精度和适应性奠定了基础。.在基金项目的支持下，课题组在《IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems》 、《Engineering Applications of Artificial Intelligence》 、《Applied Soft Computing》 、IEEE SMC等刊物与会议上发表了学术论文37篇，其中所发表论文被SCI检索或SCI源刊在线发表7篇，被EI检索论文22篇（不含SCI重复检索论文）。本项目首次提出了水泥水化四维微观结构图像快速校正方法，构建了基于移动最小二乘的水泥微结构图像曲面拟合模型；抽取了水泥水化动力学模型和水泥微观结构与抗压强度之间的动态模型；反向建模过程利用GPU进行加速，实现了超算环境下的水化过程模拟。