TIN组织范文

TIN组织范文（精选7篇）

TIN组织 第1篇

1 实验

1.1 试样制备

实验材料为4Cr13马氏体不锈钢,尺寸20mm25mm2m。实验前将试样用不同型号的砂纸打磨,然后进行抛光,表面粗糙度Ra<0.8μm。将抛光后的试样放入丙酮、酒精溶液中超声波清洗,最后将清洗后的试样用吹风机烘干。

1.2 实验方法

本实验采用TSU-650离子镀沉积设备,将处理好的试样固定在炉内的工件架上,工件架公转的同时进行自转。抽真空之后开启加热系统,待炉内气压小于1Pa后通入氩气,调节偏压,打开偏压电源对试样进行离子清洗,时间为30min。然后打开分子泵继续抽真空,直至炉内气压为10-3Pa,点燃Ti靶电源进行过渡层的沉积,10min后、通入氮气进行TiN的沉积,时间为1h,沉积结束后将工件冷却至50 ℃以下出炉。表1为具体实验参数。

1.3 划痕实验与检测方法

用JEOL/JSM-5610LV型扫描电镜对薄膜的表面形貌进行分析,用Bruker-axs-D8型X射线衍射仪检测薄膜的物相结构,用HV-1000型数字显微硬度计测量薄膜层的显微硬度。选用WS-2005型附着力自动划痕仪检测薄膜的结合力,开始加载力为0 N,终止加载力为100 N,加载长度为5mm,每个试样测量3次。用Carl Zeiss Axio Scope A1型光学显微镜观察划痕形貌,并核对声发射信号的准确性。采用HSR-2M高速往复摩擦磨损试验机检测TiN薄膜试样的摩擦系数,采用压头为 Φ6 mm的Si3N4滚珠,加载载荷为5N,试验时间为20min,运行速度为480r/min,运行长度为5cm,并用Carl Zeiss Axio Scope A1型光学显微镜观察磨损形貌。

2 结果与分析

2.1 薄膜的表面形貌

图1为不同弧电流下的薄膜表面形貌。由图1(a)可见,在薄膜表面弥散分布着一些尺寸不均的颗粒,这是Ti靶表面高温电弧燃烧导致一些微小液滴喷发出来[8],并以固体形态附着在薄膜表面的结果。这些颗粒基本由纯Ti组成,硬度较低[9]。从图1(b)-(d)可以看出,弧电流对薄膜表面形貌有明显的影响,随着弧电流的增大,薄膜的液滴数目和尺寸都在增大,这是因为随着弧电流的增大,能量增加,靶材温度升高,溅射出来的钛粒子的数量、体积都变大,所以最后沉积到薄膜表面的大颗粒点也明显变大、变多。由图1(d)可以看出,当弧电流为120A时,薄膜表面的颗粒已严重聚集、增大。

2.2 薄膜的相结构

图2为不同弧电流下沉积TiN涂层的X射线衍射图谱。涂层主要由TiN组成,2θ为36.2°和77.4°的衍射峰分别对应(111)和(222)晶面,在(111)面有较强的择优取向,且随着弧电流的增强,衍射峰强度略有增加。此外还有少量的Ti相,这是薄膜表面的液滴相。由此可见,弧电流对涂层的相组成没有明显的影响。其中(111)衍射峰强度高,弧电流在85~120A范围内变化时,TiN有一定的择优取向。

2.3 薄膜的硬度

实验采用HV-1000型显微硬度计,载荷选为0.25g,加载时间为10s,每个试样取5个点测量,计算其平均值并约至整数。图3为不同弧电流下TiN薄膜的硬度。

由图3可知,随着电流的增大,薄膜的硬度先增大后减小,当弧电流为105A时,硬度值达到最大,为2897HV,随后硬度值开始减小。这是因为当弧电流较小时,随着靶电流的升高,溅射的Ti离子能量增大,使得薄膜的沉积温度升高,增加了晶格的不完整性[10],从而使硬度升高,TiN沉积时的温度升高,晶界自身的强度也会提高。但是由图1可知靶电流的增大会加重TiN薄膜的表面大颗粒的聚集和增大,导致薄膜的硬度下降。

2.4 弧电流对TiN薄膜结合力的影响

膜层与基体的结合力可以理解为单位面积上使镀层与基体在界面上相分离的最小作用力。不同靶电流下制备的TiN薄膜结合力的测量结果见图4,图5是相应的放大50倍的划痕形貌图。从图4可见,随着靶电流的增大,TiN薄膜与基体的结合力先增大后减小。当弧电流为85A时,薄膜结合力为42N,结合图5(a)可以看出薄膜划痕较宽,载荷增大到42N时薄膜已经破裂并开始出现剥落现象;当弧电流为95A时,薄膜结合力为50N,且由图5(b)可以看出,划痕变窄,薄膜在载荷为50N时开始破裂,但此时并没有出现剥落;载荷增大到65 N左右时薄膜开始剥落;当弧电流为105A时,结合力增大到75N,由图5(c)可知,划痕宽度最窄,载荷增大到80N左右时薄膜才开始出现明显剥落;当弧电流为120A时,薄膜的结合力为63N,由图5(d)可知薄膜在70N左右出现剥落。

综合以上分析,弧电流对薄膜结合力有明显的影响。这是由于当弧电流较低时,溅射的Ti离子能量较小,沉积过程中与基体表面原子结合能力较差,导致薄膜组织不够致密,在外力作用下容易变形脱落,因而结合力小,薄膜硬度较低;当弧电流增大时,溅射的Ti离子能量变大,与基体表面的原子结合强度高,而且TiN薄膜沿(111)晶面生长有利于膜基结合[11],弧电流增大时TiN具有明显的(111)晶面择优取向(见图2),对膜基结合力提高也具有积极的贡献;但是当弧电流继续增大时,结合力开始减小,这是因为弧电流过大,增加了薄膜表面的大颗粒液滴,这些液滴导致薄膜的均匀性和硬度降低,因此薄膜结合力减小。

2.5 不同弧电流下制备的TiN薄膜耐磨性的研究

图6为不同弧电流下制备的TiN薄膜的摩擦系数曲线。由图6可知,随着弧电流的增大,薄膜的摩擦系数先增大后减小,当弧电流为105A时,薄膜的摩擦系数最小,为0.55左右。

图7为相应的放大50倍的磨痕金相照片。从图7(a)中可以看出,当弧电流为85A时,薄膜表面出现大面积的剥离现象,磨损比较严重;随着弧电流的增大,薄膜的磨损程度得到改善,当弧电流为105A时,薄膜表面出现少量的显微孔洞,并没有明显的剥离,当弧电流增大到120A时,薄膜表面的显微孔洞明显增多,没有出现大面积剥离现象。显微孔洞是由于TiN薄膜表面存在的较大的Ti液滴在对磨过程中被磨件拖(拉)出留下的。

由此可见,弧电流对薄膜的耐磨性有很大影响。当弧电流较小时,薄膜的硬度不够高,导致薄膜出现小部分剥离;随着弧电流的增大,薄膜的硬度也增大,剥离现象得到改善,薄膜的耐磨性得到提高;但是弧电流过大会加重薄膜表面大颗粒聚集和增大,严重影响薄膜的表面质量,因此在摩擦过程中出现大量显微孔洞,导致薄膜耐磨性下降。

3 结论

(1)弧电流对薄膜的表面形貌有明显的影响,随着弧电流的增大,薄膜表面的液滴数目和尺寸逐步增大。

(2)薄膜的相结构主要由TiN相组成,2θ为36.2°和77.4°的衍射峰分别对应(111)和(222)晶面,在(111)面有较强的择优取向,且随着弧电流的增强,衍射峰强度略有增加。

(3)随着弧电流的增大,薄膜的硬度先增大后减小,硬度值最大为2897HV。

(4)随着弧电流的增大,薄膜的结合力先增大后减小,弧电流为85A、95A、105A、120A时,薄膜与基体的结合力分别为42N、50N、75N、63N。

TIN模型加密算法讨论 第2篇

TIN模型的应用十分广泛, 如空间对象的3维可视化, 任意剖面的切割, 度坡向的计算等等。到目前为止, 虽然TIN模型的自动生成算法己经十分成熟, 但由于三角形的顶点大多属于原始数据点或等值线特征点 (如拐点) , 所以, 对于不同的应用需求, 数据点的分布均匀程度相差很大, 三角形的空间分布不如格网模型那么均一。为了保证T IN模型的精度, 常常需要对不同来源的TIN进行加密处理, 使模型更加接近实际。加密TIN模型的本质是形成更多的三角形。常用的加密方法有如下几种, 如图1所示

如图1所示, 三角形顶点或三角形各边特征点与加密数据相连, 就可以形成新的三角形。新增的加密数据是未知的, 需要进行插值处理。原来使用的各种插值计算方法十分简单, 但精确度不高, 加密后等高线协调性和合理性不佳。本文提出一种更为合理的插值方法, 对插值点进行计算。

二、加密TIN模型的算法介绍

对TIN模型进行加密, 关键是选取合适的插值点, 然后对插值点的高程进行合理的运算。

1插入点的位置选取 (即XY的坐标取值)

对加密TIN模型时, 一般选取三角形内某一特殊点, 如, 垂心、重心等。其中, 三角形的重心是三角形是最平衡的一个点, 所以, 我们插入点的xy取值在所在三角形的重心位置。即

如图2所示O点位置。

2.插入点的高程值的计算 (即的坐标值)

空间插值的理论假设是:空间位置上越靠近的点, 越可能具有相似的特征值, 而距离越远的点, 其特征值相似的可能性越小。基于这个假设, 现有很多种插值方法可以选择。双三次样条函数对数据构型的要求十分严格, 而趋势面拟合的曲面不通过原始数据点。此外, 距离平方倒数法等算法的处理结果并不处于同一光滑的曲面上。

基于对空间插值假设理论的思考, 本文提出一种利用三角形重心到到三边的垂点的距离即三角形上距重心最近的三点的距离的倒数为权值, 通过加权方法计算插值点高程的方法。

在空间三角形ABC中 (如图2) , D、E、F三点为重心点O到三边AB、BC、CA的垂足, 利用平面坐标系上A、B、C三点和重心O的 (x, y) 值分别计算D、E、F的位置, 即三点的 (x, y) 值。三点高程、、分别通过三次样条插值法, 利用已知A、B、C三点高程计算获得。此时, D、E、F三点即为距离O点最近的三个已知点。

即得所求插值点的高程。

三、加密高程点的实验

为了验证上述对高程点加密的方法对等高线的影响, 对实际测量数据进行加密分析试验。

a加密前的TIN模型;b加密后的TIN模型

取某地实地测量数据, 共33个高程点, 生成TIN模型如图3 (a) 所示, 将这33个已知数据生成的三角网中的三角形顶点坐标按照上文中提出的方法进行计算。根据计算后的结果得加密TIN模型如图3 (b) 所示。

a加密前的等高线示意图;b加密后的等高线示意图

分别使用加密前后TIN模型生成的等高线, 如下图4 (a) 和4 (b) 所示。

四、结论

从实验结果可以看出, 文中的加密高程点的方法, 保证了插值结果的稳定性和合理性, 并使基于TIN模型的图形处理过程更加自动化, 处理结果更实用化。加密后的等高线无论是协调性还是合理性都得到了加强。

摘要：通常, 外业采集的高程点生成的TIN模型其光滑度和连续性都不很理想, 后续处理过程中需要进行加密处理。针对传统插值计算方法计算精度不高的缺点, 本文提出了一种利用重心点到三角形三边垂点平面距离的倒数为权值, 计算插入点高程的方法, 对TIN模型进行加密。对实际测量数据使用该方法进行的加密分析, 加密后的模型表明, 该方法处理结果更实用性, 加密后生成的等高线的协调性和合理性都得到了加强。

关键词：不规则三角网 (TIN) ,加密,重心,权值

参考文献

[1]黎夏, 刘凯GIS与空间分析—原理与方法[D].北京:科学出版社, 2006.8

[2]魏克让, 江聪世空间数据的误差处理[D].北京:科学出版社, 2003.8

[3][英]Michael J.de Smith, [美]Michael F.Goodchild, [英]Paul A Longleybey著杜培军, 张海荣, 冷海龙等译地理空间分析—原理、技术与软件工具[D].北京:电子工业出版社, 2009.3

基于TIN的土石方计算研究 第3篇

近年来, 随着国民经济不断发展, 各种工程项目越来越多, 土石方计算越来越频繁, 而土石方量的计算对工程投资估算、工程量大小估算以及工程进度控制都能提供可靠依据。为了使工程技术人员脱离繁复的土方量手工计算, 通过专家学者的不断研究, 率先在Auto CAD基础上开发出了一系列成熟方法和程序, 大大减轻了工程技术人员工作负担, 提高了计算速度。地理信息系统的出现, 各种空间分析方法和手段的引入, 使复杂的传统空间分析任务变得更加简单易行, 特别是在Arc GIS中克立格插值[1,2]空间插值方法的帮助下, 精确的TIN模型能快速模拟地面特征, 使土方量计算的操作更加简便、精度日益提高。

1 土方量计算的原理和方法

1.1 土方量计算的原理

土方量计算其实就是求取设计地面和自然地面之间物质的体积差。设计地面是按规则设计出来的, 容易准确表达。而自然地面是由无数个点组成, 人工采集的只能是有限的数据, 表达自然地面特征也只能是无限的接近。假定自然地面是连续和渐变的, 通过获取有限的数据, 也能模拟和近似表达真实的地面, 微积分就是一种描述连续变化的方法[3,4], 土石方的计算就是借鉴了微积分的思维方法, 将地形分成若干微小单元, 并将其地形特征简化, 以采集数据或空间插值数据近似表达各个单元的地形特征, 分别计算各个微小单元的体积差, 然后汇总求和, 就得到了最后的土方量。这里也只是借用了微积分的思维方法, 而不是具体运算程序, 下一步是土石方计算的原理, 如图1所示。

1.2 基于TIN的体积算法[5]

不规则三角网 (TIN) 是DEM的主要表现形式[6], 是按照一定的规则将按地形特征采集的离散点连接成覆盖整个区域的互不重叠的三角形, 能很好地逼近原始地形表面, 从而更好地表达真实的地面特征。基于TIN算法的土方量计算一般采用三棱柱法, 利用场底和场顶之间的标高差建立三角网模型, 然后利用泰森三角形的原理, 把这个三角网模型分成若干个不规则的三棱柱, 一个平面内, 三点平均, 从而计算三棱柱的体积, 最后再将这若干个三棱柱加到一起, 就是我们所求取的总的土石方量 (填方量和挖方量) 。

三棱柱法是沿地形等高线将每个方格的对角点连接起来划分为两个等腰直角三角形, 根据各角点施工高度符号的不同, 零线 (即方格边上施工高度为零、不填不挖的点的连线) 可能将三角形划分为两种情况:三角形全部为挖方或全部为填方以及部分挖方和部分填方。

三棱柱法的计算公式是根据立体几何体积计算公式推导出来的, 比较精确。其计算方法如下:

下一步是全挖或全填的体积公式, 如图2所示:

上述公式 (1) 中, a是方格的边长 (m) ;h1、h2、h3是三角形各角点的施工高度 (m) 。

当划分方格为部分挖方和部分填方时, 零线将三角形划分成底面为三角形的锥体和底面为四边形的槭体, 下一步是三棱柱法, 如图3所示。

锥体的体积为:

槭体的体积为:

上述公式 (2) 、 (3) 中, V锥是锥体的体积 (挖方或填方) (m3) ;V槭是槭体的体积 (挖方或填方) (m3) ;h1、h2、h3是三角形各角点的施工高度 (均用绝对值代入) , 但h3常指锥体顶点的施工高度 (m) 。

2 实现步骤

在Arc GIS中, 为了计算土方量, 需要将设计地面和自然地面进行叠加, 叠加后形成的交线就是回填区和开挖区的分界线。通过计算每一条分界线围成的封闭区域的体积, 就得到了每一个回填区和开挖区的体积, 即为所求区域的填方量和挖方量。下一步是基于TIN的土方量计算流程, 如图4所示。

2.1 数据准备

土方量计算前首先准备高程点、等高线等数据, 由于其格式一般是CAD的dwg格式, 需要通过数据转换, 形成Arc GIS需要的Shapefile格式。

2.2 数据检查

查看高程点、等高线的属性数据中是否有高程字段并且高程字段非空。

2.3 生成TIN模型

在Arc GIS中, 使用3D Analyst模块, 选择高程点和等高线数据通过克立格空间插值[7]进行TIN模型构建。需要注意的是, 要先选择好存放高程值的字段。根据设计前后地形, 分别生成TIN1和TIN2。

2.4 填挖计算

利用Cut/Fill工具对TIN文件进行填挖计算, 最后会生成一个图层, 图层上分色显示回填区和开挖区的范围。

2.5 统计汇总

生成的图层属性表中, 正值表示要填充的土方量, 负值表示要挖掉的土方量, 通过统计, 即可分别计算出填方量和挖方量。

3 工程实例分析

笔者参与了连云港市某废弃矿山土地整治土石方计算工作, 该地区地表凹凸不平, 最低处高程66m, 最高处高程100m, 根据整治设计目标, 采用了Arc GIS进行土方量计算。

3.1 数据获取

收集该整治区的高程点、等高线数据, 特别在地面起伏处, 利用全站仪补测高程点数据, 增加采集点密度, 并将实测点输入计算机。

3.2 TIN模型建立

利用Arc GIS系统的3D分析模块根据现状图和设计图中高程点、等高线数据按照10m×10m栅格单元进行插值, 下一步是最后分别生成现状TIN和设计TIN, 如图5和图6所示。

3.3 计算工程填挖方

根据生成的设计前、后TIN表面, 利用3D分析模块下的Cut/Fill工具生成一个新的图层, 下一步计算产生的填挖方栅格图, 如图7所示, 该图层的右下角图例中, Net Gain表示净填方, Net Loss表示净挖方, Unchanged表示不填不挖。

下一步是打开该栅格要素属性表, 如表1所示, 其中表内字段Volume值大于零的表示净填方, 小于零的表示净挖方, 等于零的不填不挖, 通过鼠标右键点击Volume字段, 可以统计栅格体积, 总计为72 269, 填方大于挖方。

4 结论与建议

基于TIN的土石方计算, 是通过设计前后地形模型叠加找出回填区和开挖区的分界线, 再对每一个封闭区域通过求取体积差来统计每一个回填区和开挖区的土方量, 最后统计汇总得出总土方量的一种方法。相比其他传统土方量计算方法, 其计算简单、快速, 自动化程度高, 适用于各种地形, 特别是复杂地形。

因此, 在应用TIN模型计算土方过程中有如下建议:①前期对数据进行检查, 高程字段非空, 否则将产生错误;②生成的现状TIN和设计TIN范围应保持一致;③优先选择闭合等高线参与TIN模型建立。

该方法对基础数据要求较高, 计算精度跟地形、坡度及栅格大小等因素有关, 一般情况下, 栅格越小, 精度越高。这种方法简单、可靠, 适用范围较广, 可推广性较强。

参考文献

[1]俞志新, 李艳, 黄明祥.地统计克立格插值法在工程土方计算中的应用[J].浙江水利科技, 2003 (4) :37-38, 47.

[2]陈勇.利用ArcGIS地统计分析进行土地平整土方量计算的研究[J].安徽农业科学, 2007 (1) :70-71, 103.

[3]程不时.突变论及其应用[J].科学通报, 1978 (9) :513-522.

[4]欣欣.突变论模型[J].哲学动态, 1990 (2) :20-21.

[5]周启鸣, 刘学军.数字地形分析[M].北京:科学出版社, 2006.

[6]THOMPAONJA, BELLJC, BUTLERCA.Digital Elevation Model Resolution:effect on terrainattribute calculation and quantitative sail landscape modeling[J].Geoderma 2001 (1) .

三维地层Tin模型剖切的改进算法 第4篇

剖切模型是工程技术人员在三维建模后进行交互式分析的一个重要的手段,而基于不规则三角网格Tin的模型被广泛应用在地层领域的可视化分析中。Tin是通过从不规则分布的数据点(钻孔点)生成连续三角网格来逼近真实实体的表面,因此对地层模型进行的切割,主要就是对三角网格进行的剖切。文献[1]基于建立规则的三角网实现对三维物体任意方向的平面切割,而通常的地层数据都是不规则的,需要补充插值。文献[2]提出了一种通过矩形剖切面与三维表面模型进行任意交互切割的算法,但该算法在三角形个数及剖切面个数非常多时, 需要对每个剖切面与三角面片进行求交运算, 且求交后需要将大量无序的交线转变成边界轮廓, 所需时间较长。文献[3]采用一种利用断层对剖面上地层进行分区的方法,实现被特殊断层如逆断层错断的复杂地层的三维可视化显示。但是,该方法在标注断层与地层之间的衔接需要特殊技巧。文献[4]采用的矩形网格与三角网格相结合的曲面切割算法,需要先用最小二乘面基础上生成矩形网格,用矩形网格与三角网格的求交计算来代替两三角网格的求交计算。文献[5]提出了一种内角动态判定的简单多边形三角剖分算法。文献[6,7,8]采用了碰撞检测中的方向包围盒OBB(Oriented Bounding Box)法来处理切割Tin时的三角形相交问题,但OBB法的方向任意性使得包围盒的相交测试复杂[9]。碰撞检测方法多用于模拟仿真、虚拟现实、计算机动画等领域,本文根据三维地层分析的特点,提出运用碰撞检测的轴向方向盒AABB(Axis Aligned Bounding Box)法,能有效地解决地层Tin模型剖切时相交判断问题。

1 基本约定和规则

约定1[10] 一个连通的、节点互连的实体表面Tin是一个有限的三角形序列。其满足如下条件:

(1) 表面中的每一条边至多被两个三角形共用, 或者说至多是两个三角形的公共边;

(2) 表面的顶点可以被任意多个三角形共享;

(3) 每一个三角形至少与其他三角形共享一个顶点;

(4) 如果三角形Ti的一个顶点同时被另一个三角形Tj共享, 那么这个顶点Ti也是三角形Tj的顶点;

(5) 三角形互不交叠。

约定2 地层实体E=(Su, Sd)。其中:Su表示地层的顶面,Sd表示地层的底面,Su和Sb均可由实体表面Tin模型来表征其空间展布形态, 并且它们在水平面的投影是相同的。

规则1 空间两曲面相交的判定规则:设有两曲面S1(x1,y1,z1)和S2(x2,y2,z2),当且仅当S1和S2在三个坐标轴(x,y,z)上的投影区段都有重叠,S1和S2才存在相交。

规则2 平面上任意一点与多边形的位置关系的判定规则:设平面内有任一点P和任意多边形S,以点P作任一射线,如果射线与多边形S边的交点数为奇数时,则点P在多边形S内;若交点数为偶数(或0)时点P在多边形外。

规则3 空间上任意一点与平面位置关系的判定:设平面方程为ax+by+cz+d=0,则平面的法向量为n(a,b,c),平面将3维空间分割为两个半空间A和B,其中,半空间A处在平面的正法向方向。若点P(x,y,z)到平面的距离为:D=ax+by+cz+d,则有:

(1) 若D>0,P点处在A半空间;

(2) 若D=0,P点处在平面上;

(3) 若D<0,P点处在B半空间。

2 剖切算法的改进

根据约定1和约定2,对三维地层Tin的剖切算法,实际上就是对三角网格和三角形进行剖切,主要包括3个方面: 相交检测、交点计算与裁剪和三角网分边重构。

(1) 相交检测:

即判断剖切面与被剖切面Tin中的哪些三角形发生相交, 找出所有相交三角形;

(2) 交点计算与裁剪:

相交三角形的求交运算是为了完成TIN网格的切割, 反映到单个图元上, 就是计算剖切面与三角形的交点;

(3) 三角网分边重构:

切割后的处理包括2个方面:一是完成切割后的2边网格的重新划分, 即三角网分边;二是完成切割后的三角网重构。

2.1 相交检测

普通三角网格算法中的相交检测的方法是通过对2个曲面中的每个三角形逐一进行求交计算来判断是否发生相交, 这显然速度太慢。改进的算法就是采用碰撞检测方法来进行相交测试。碰撞检测方法在模拟仿真、虚拟现实、计算机动画等领域中起着非常重要的作用,基于层次包围盒的碰撞检测算法已经被证明是高效的。常见的碰撞检测算法有很多,如轴向包围盒法(AABB法)、包围球法、固定方向凸包的包围盒(FDH)法和方向包围盒法(OBB)等,而其中轴向方向包围盒法在速度上和存储处理上仅次于包围球法,但紧密性稍弱[11,12,13,14]。实际上地层的切割具有它自身的特性:断层或地层分析的切割剖面方向变化不大且是已知的,切割范围也是已知的,地层模型多为三角形。显然,对于三角形这样的简单图形只能是用更简单的矩形来包围才有意义。因此,选择采用AABB法。其基本思路是:分别建立切割多边形面的矩形包围盒和地层Tin面的矩形包围盒,因为矩形的碰撞检测简单,所以为每个对象构造其包围盒,通过包围盒之间的碰撞测试可以快速排除不可能相交的对象对,再对可能相交的包围盒的几何元素进行精确的相交测试,从而判断两对象是否相碰撞。

2.1.1 矩形包围盒选取

对象的轴向矩形包围盒被定义为包含该对象并且各边平行于坐标轴的最小六面体,其在二维平面的投影为矩形(如图1所示)。要计算给定对象的矩形包围盒,只需分别计算组成对象的基本几何元素的各个顶点的最大值和最小值即可。因此AABB包围盒的坐标公式可表示为:

B={(x,y,z)|XminxXmax,YminyYmax,ZminyZmax}

其中:Xmin、Xmax、Ymin、Ymax、Zmin、Zmax分别是该包围盒B在坐标轴x,y,z上投影的最大值和最小值。

2.1.2 矩形包围盒树的组建

创建包围盒树状结构有自顶向下和自底向上2种方法。自顶向下方法首先为整个对象计算一个包围盒,然后递归地将对象进行剖分,直到所有对象的叶节点为最小单元不可再分。自底向上方法则先为组成对象的每个最小单元分别计算包围盒,然后将它们逐渐合并成更大的包围盒,直到包围盒包含整个对象构成一棵树。目前自顶向下方法在实际的应用中使用较多。为了得到均衡的包围盒树,采用最长轴为分裂轴,选择曲面集合中所有基本几何元素的表现点在分裂轴上投影的中值为分裂点。其建立过程为:首先建立整个切割多边形面的矩形包围盒,在分裂点将其分割成2个,并将这2个节点作为该节点的孩子节点, 以此递归地将对象进行剖分, 直到它的最小单元是不可再分割的矩形包围盒(如图2所示)。

因为对于剖切面的最小单元是剖面的切割边,所以最小包围盒为只含有一条剖切边的矩形包围盒,便得到了剖切面的AABB树。按同样方法建立Tin的AABB树,只是在选择根包围盒的范围时应参考切割多边形的范围,这样可以预先筛选掉一部分三角形,Tin的最小单元是三角形。在分割几何空间时,对一个最小单元被分割时的处理一般采用几何中心点位置靠近哪个分割空间的方法,也可以采用简便方法:直接根据三角形端点数在哪侧分割空间多,就将三角形分在哪侧空间,这样可以减少中心点的计算量。

2.1.3 矩形包围盒树的遍历

检测两个对象相交情况是通过遍历这两个对象的包围盒棵树完成的。首先用一个对象的包围盒树的根节点遍历另一对象的包围盒树;如果能达到叶节点,再用该叶节点去遍历第一个对象的包围盒树;如果都能到达叶节点,则可进一步进行最小单元的相交测试;否则,说明两包围盒不碰撞,得出这两个对象不相交的结论。假设有两对象对象a和对象b,Wa和Wb分别为两对象包围盒树中的检测节点,b(Wa)、b(Wb)为两包围盒,两对象碰撞检测算法的递归伪代码如下:

2个对象包围盒是否碰撞的判断可以依据规则1。设包围盒A(Xamin,Xamax,Yamin,Yamax,Zamin,Zamax)和B包围盒B(Xbmin,Xbmax,Ybmin,Ybmax,Zbmin,Zbmax),判断两包围盒投影是否重合的伪代码如下。

2.2 求交与裁剪

经过碰撞检测后得到了可能相交的矩形包围盒对,还必须要进行精确的求交计算,才能最后确定,但是这已经减少了很多计算。这里要做的是边和三角形的求交计算,实际上就是判断边的两端点与三角形的关系。设△ABC是Tin表面中任意一个三角面片, 线段P1P2是切割曲线中一线段。根据规则2的判断规则,可以得到切割边与三角形的关系有4种情况。(a) 线段P1P2的两端点P1和P2位于△ABC同一侧;(b) 线段P1P2的两端点P1和P2都位于△ABC同内部;(c) 线段P1P2的两端点P1和P2位于△ABC两侧(见图3(a));(d)线段P1P2的一个端点P1位于△ABC外,另一端点P2位于△ABC内(见图4(a))。显然,第1情况是由于矩形包围盒的不紧密性导致部分没有碰撞的对象也被包含,可以排除;第2种情况可以直接将端点保存;第3、4种情况需要进行交点计算和裁剪。

1) 两个交点的计算和裁剪:

取两个碰撞的包围盒,在初始状态下判断切割线P的两端点P1和P2在△ABC的两侧(见图3(a))。分别用两直线相交的算法计到两个交点D和E;连接DE将△ABC分成1个△ADE和一个□BCDE;连接BD将□BCDE分成△BDE和△BCD(或连接CE将□BCDE分成△BCE和△CDE) (见图3(b));这样通过求交和裁剪将原△ABC分解成了3个三角形:△ADE、△BDC和△BDE,然后建立这3个三角形的拓扑关系。

2) 1个交点和1个内点的计算和裁剪:

取两个碰撞的包围盒,在初始状态下判断边切割线P的端点P1在△ABC 的AB边一侧,而另一端点P2位于三角形内(见图4(a));复制P2点得到点D,用点D与△ABC的三个顶点组合分别构成三个三角形:△ABD、△ACD和△BCD;计算切割线P与AB边的交点得到点E,连接ED将△ABD分成△ADE和△BDE(见图4(b));这样通过求交和裁剪将原△ABC分解成了4个三角形:△ADE、△ACD、△BED和△BDC,建立这4个三角形的拓扑关系即可。实际上就相当于延长切割线P到C,用EDC切割线将△ABC进行剖切。如果被切割的三角形比较小也可以不用复制D,而直接用EC为切割线将△ABC剖分成两个,这样稍微简单一点,但也都是只要进行一次求交运算。

2.3 三角网分边和重构

经过求交裁剪计算后,三角网发生变化,需要根据剖切面对原三角网进行分边和重新组织Tin才能完成最终的剖切显示。分边重构计算就是用剖切面将原来三角形的拓扑关系分成独立的两个部分,即形成位于剖切面正负空间的两个三角网。其计算过程如下:

首先,将位于切割线上的连接三角形进行分边重构。将求交计算后得到的切割线上的点复制一组,分别与切割线两侧的点建立原来的三角形拓扑关系,就将原来连接的三角形网分边重构成两个独立的三角网,而网型基本没变。例如(见图4(c)):把切割线P上的点E、D、C复制一组E′、D′、C′,将点E、D、C与切割线上侧的点A建立原来的三角形拓扑关系,得到两三角形△ADE和△ACD;同样,将点E′、D′、C与切割线另侧的点B建立原来的三角形拓扑关系,得到两三角形△BE′D′和△BC′D′;于是原来连接的三角形网就分边重构成两个独立的三角网△ADE、△ACD和△BE′D′、△BC′D′。图3(c)也是同样进行分边重构得到。

再对其他三角形进行分边。可以根据规则3,通过计算三角形端点到切割平面的有向距离D来判断。由于经过碰撞和切割处理后的三角形只能是位于切割平面的两侧,可以采用简单方法来计算,即用三角形的所处的矩形包围盒来进行判断。

如果要精确生成Tin,也可以将切割得到的边界交点、剖切面的分边点及原始点一起,进行Delaunay三角化,重新生成Tin地层模型。

3 算法实现与测试效果

3.1 主要数据结构设计

在Microsoft Windows环境下,用VC++ 6.0编程语言对算法给予实现。列举3个主要的数据结构:Tin结构、地层结构和包围盒树结构,每个结构的主要定义如下:

3.2 测试效果

为了验证算法的正确性及执行效率,在CPU主频为2.6GHz、内存2GB的PC及Microsoft Windows XP操作系统上统计运算时间。实际应用武汉市xxx商贸大厦岩土工程的钻孔和地层数据,建立三维Tin地层模型(实际勘探钻孔23个、补充虚拟钻孔7个,岩土分层13层、平均地层深度约16米)。在生成的Tin地层模型上做任意多边形切割区域,采用改进的AABB碰撞检测算法和普通三角网格算法都能得到符合要求的切割模型。为了比较剖切效率,在基础三角网(三角形个数193)上进行三角形加密后剖切,如此4次(三角形个数分别为:760,2 951,11 710,46 750)。改进后算法的剖切结果正确,图5是最后一次加密和剖切后模型的输出图形。

对比结果表明,采用包围盒碰撞检测方法可以较快排除不相交的三角形,比普通算法快,切割三角形越多,效果越显著,提高约26%(见表1)。

4 结 语

改进的三维地层Tin模型的剖切算法中采用了AABB法。AABB法在处理方向变化的活动对象时的紧密性不如OBB法,但是在处理对象的方向变化小且预知、分析模型多为已知三角形的地层Tin剖切分析问题方面,现已表明是合适和有效的。而实际上很多求交计算中采用的诸如矩形网格法等,其理论实质都可以归纳到碰撞检测方法中。另外,本文在剖切、分边和重构的算法处理上都进行了一些有效的改进,如:最小单元被分割时按端点数多少选择分割空间;在选择根包围盒的范围时以参考切割对象的范围为基准,这样可以预先筛选掉一部分处理对象;利用已构建的包围盒快速对三角形进行分边等等。随着运用碰撞检测算法进行地层Tin问题分析研究的深入,对包围盒树的构建和存储还可能进一步的优化。

TIN组织 第5篇

TiN是一种金属键化合物类型的新型材料,属于面心立方点阵的氯化钠晶体结构,具有强度高、硬度高、导电导热性优良、化学稳定性和抗氧化性优异等特点,广泛用于制备金属陶瓷、切割工具、耐磨耐腐蚀涂层等[1]。室温下,TiN的电阻率为10-5Ωcm,具有低辐射性能,其作为涂层可应用于玻璃,使玻璃在可见光区具有较高的透射率,在红外光区具有反射率[2]。

TiN超细粉体特别是纳米级粉体,作为复合材料的功能增强相,具有极大的开发价值和广阔的应用前景[3,4]。纳米TiN复合材料所显示的优异性能与纳米颗粒的体积效应和表面效应密切相关。然而纳米颗粒由于粒度小,具有很大的比表面积和较高的表面能,处于能量不稳定状态,颗粒之间很容易发生团聚,形成尺寸较大的团聚体,从而影响其性能的发挥。因此纳米TiN粉末在应用前均匀、稳定的分散是所要解决的首要问题。目前对纳米TiN的分散研究多集中在低固含量或短时间稳定分散应用方面,而对于较高固含量、具有长期稳定性的纳米TiN分散方法的研究未见报道。

本实验就pH值、分散剂种类及其用量对纳米TiN粉末分散性的影响及作用机制进行了研究,探索适宜的分散剂及分散工艺条件,为后续纳米TiN在实际中进一步的应用奠定基础。

1 实验

1.1 原料

纳米TiN粉体,合肥开尔纳米材料有限公司,性能指标如表1所示;无水乙醇,分析纯,北京化工厂;聚乙二醇,国药集团化学试剂有限公司;土温-80,国药集团化学试剂有限公司;硅烷偶联剂A-1230,GE东芝有机硅;草酸,北京化工厂。

1.2 仪器

BL-220S电子天平,日本岛津公司;KQ-4行星式球磨机,南京大学仪器厂;AP系列超声波分散仪,上海吉理超声波仪器厂;94-2恒温磁力搅拌器,上海梅颖浦仪器仪表制造公司;S4800冷场发射扫描电子显微镜(SEM)、H-7500透射电子显微镜,日本Hitach公司;TGL-16G-A台式离心机,上海安亭科学仪器厂;90 Plus Zeta电位分析仪,Brookhaven公司。

1.3 试验方法

料浆配置:称取2.0g纳米TiN粉末;在盛有25mL的无水乙醇烧杯中加入TiN粉体相应质量分数的分散剂,用草酸调节体系的pH值,然后加入纳米TiN粉体。

分散工艺:利用超声波分散仪超声处理一段时间,然后球磨至规定时间。

分散效果观察:将15mL的分散料浆放入有刻度的试管中,每隔相应时间记录料浆的沉降高度,以沉降过程稳定时的沉降高度(见图1)和料浆沉降过程中的沉降速率(单位时间内沉降的高度)表征分散料浆的稳定性,料浆沉降高度越低,沉降速率越小,则分散稳定性越好,反之分散稳定性越差[5]。

选择分散稳定性效果好的料浆进行扫描电镜和透射电镜分析,观察纳米TiN在乙醇中的分散效果。

2 结果与讨论

2.1 不同分散剂用量对纳米TiN分散稳定性的影响

文献[6,7]分别采用聚乙二醇和吐温-80对TiN在无水乙醇中的分散行为进行了研究,但均未对纳米TiN分散料浆的长期稳定进行观察和研究,且分散浆料中纳米粉体的固含量较低。本实验分别以聚乙二醇1000、聚乙二醇1500、吐温-80、A-1230为分散剂,在相同工艺条件下研究了不同分散剂用量对纳米TiN在无水乙醇中分散稳定性的影响。

图2、图3分别为料浆的7天沉降高度和24h的沉降速率。

由图2可以看出,随着分散剂用量的增加,纳米TiN分散料浆7天的沉降高度均有减小的趋势,其中硅烷偶联剂A-1230分散料浆的沉降高度下降得最为明显,表明A-1230可作为纳米TiN在乙醇中分散的优良分散剂,当A-1230的用量达到23%时,料浆7天时间内稳定,无沉降。A-1230的单分子包覆面积为280m2/g,在TiN颗粒表面形成单分子包覆所需的A-1230的理论质量分数为26.6%,实验值与理论值较为接近,说明当A-1230的用量为23%时,A-1230在纳米TiN的表面形成了有效包覆,产生了空间位阻稳定作用,阻碍了颗粒团聚沉降。

采用聚乙二醇1000、聚乙二醇1500以及吐温-80时分散料浆的7天稳定性相近,均发生了明显沉降,说明分散剂未能在纳米TiN颗粒表面形成有效包覆,或者是分散剂过量,分子链之间由于桥联作用而使颗粒又重新团聚。

对比图3可知,采用吐温-80分散的料浆24h内的沉降速率较聚乙二醇1000和聚乙二醇1500有明显下降,其原因是随着吐温-80在体系中含量的增加,体系的黏度有较大增加,阻碍了粒子的沉降。随着分散剂用量的增加,采用A-1230分散的料浆在24h内的沉降速率明显下降,表明随着A-1230用量的增加,料浆的分散稳定性提高。

2.2 pH值对纳米TiN分散行为的影响

一般来说,体系pH值也是影响分散效果的一个重要因素,在无水乙醇中,整个pH值范围内的TiN颗粒表面ζ电位恒为正(见图4)[6],以A-1230为纳米TiN粉体的改性分散剂,分别调整体系的pH值为3、4、5、7、8,静置状态下,5组分散料浆的分散稳定性无明显差异(见表2),在1个月内均无沉降。对5种不同pH值的料浆各取5mL同时进行离心处理,观察5组配方的上层现象,结果表明,不同pH值体系的料浆均发生了一定的沉降,其中pH值为3、4、5时料浆的沉降高度相对较小。

在整个pH值范围内,无水乙醇中纳米TiN颗粒表面带正电荷,而A-1230为非离子型的硅烷偶联剂,吐温-80、聚乙二醇1000以及聚乙二醇1500均为非离子型表面活性剂,其吸附于纳米TiN颗粒表面,降低了颗粒表面的电荷密度,从而造成双电层的静电斥力减小,静电稳定效应相对减弱。

2.3 超声分散对纳米TiN分散行为的影响

超声波对纳米粉体的分散作用主要是基于超声波的空化作用,分散时间及超声发生器的功率是影响分散效果的两大因素。实验采用1200W固定功率的AP超声波发生器,主要研究了超声时间对体系分散稳定性的影响,以超声分散后超细粉体在无水乙醇中完全沉降时间来表征体系的分散稳定性。

实验中以超声波运行10s、停止10s为1个运行周期(1个周期20s),研究了超声时间对纳米粉体分散效果的影响。表3为不同超声时间下纳米TiN分散料浆开始出现沉降的时间。

由表3可以看出,随着超声时间的延长,纳米粉体的粒径逐渐变小,分散料浆的稳定时间有所延长,但料浆稳定时间均在0.5h左右,稳定时间都相对较短,说明仅用超声工艺处理,分散剂未能在颗粒表面形成有效吸附,未能产生有效空间位阻作用。

2.4 球磨分散对纳米TiN分散行为的影响

湿磨分散是对纳米材料进行分散的有效方法之一,其中球磨介质的粒径、球磨介质与分散料浆的质量比、球磨时间和转速是影响分散效果的关键因素。为了有效增大球磨介质的研磨效率、提高研磨介质与粉体的碰撞几率,本实验选取4种不同粒径的氧化锆球磨介质按一定比例进行级配作为研磨介质,并按球磨介质与分散料浆质量比8∶1进行配比,重点分析了球磨时间和球磨机转速对料浆分散稳定性的影响。

由表4中1-4可见,随着转速的增加,料浆稳定性增强但并不明显,在转速为400r/min时,对静置6个月的料浆进行观察,未发现任何沉降。对比表4中2、6可知,经过60个运行周期超声处理的料浆的分散稳定性较未进行超声处理的明显提高,说明采取超声措施对提高料浆的分散稳定性有一定作用。在相同配比、相同球磨转速下,延长球磨处理时间,料浆的分散稳定性变化很小,但相应的球磨过程的能耗将增加。对表4中3处理得到的料浆进行SEM和TEM观察可知,TiN颗粒均匀地分散在无水乙醇溶液中,颗粒粒径在20nm以下(见图5、图6)。

2.5 纳米TiN在乙醇中的分散机理

纳米TiN粉体在无水乙醇中颗粒表面的ζ电位恒为正,当体系pH=3时,颗粒表面电荷密度最高,形成双电层,阻碍了粒子相互靠近,分散体系最稳定,颗粒的稳定遵循静电稳定机制。

分散剂的选择对纳米TiN颗粒在无水乙醇中的分散具有重要的影响。加入非离子型硅烷偶联剂A-1230,在纳米TiN颗粒表面形成了有效吸附层,产生了位阻层,虽然非离子型硅烷偶联剂吸附层使颗粒表面电荷密度降低,静电稳定效应减弱,但A-1230硅烷偶联剂在粒子表面形成的位阻层阻碍了颗粒的碰撞团聚和重力沉淀,故纳米TiN颗粒的稳定也遵循空间位阻稳定机制。

3 结论

(1)A-1230是纳米TiN在无水乙醇中较为理性的分散剂,可有效提高分散料浆的粉体固含量和分散料浆的稳定性。(2)pH值对纳米TiN在无水乙醇中的分散影响相对较小,当pH=4时,料浆的分散稳定性相对较好。(3)对分散体系进行超声处理可以明显降低纳米TiN粉体的团聚程度。(4)球磨与超声处理工艺相结合是对纳米TiN粉体进行分散较理想的工艺。(5)当A-1230用量为23%、体系pH=4时,经超声10min、球磨转速400r/min、球磨4h得到的纳米TiN料浆的分散稳定性较好,稳定时间可达6个月。

参考文献

[1]Li Haimiao(李海淼),Guo Xingzhong(郭兴忠),et al.Effect of TMAH on disperson behavior of Ti N nanoparticles(TMAH对纳米Ti N纳米粉体分散行为的影响)[J].Chi-nese J Inorgan Chem(无机化学学报),2008,24(3):456

[2]Yu Renhong(于仁红),Jiang Mingxue(蒋明学).Properties,application and production technology of Ti N powder(Ti N的性质、用途及其粉末制备技术)[J].Refractory Mater(耐火材料),2005,39(5):386

[3]Chai Dafu(柴大付),Zhang Yuchuan(章于川),Fang Shengy-ang(方胜阳).Study on production and properties of Modifi-cation of nano-titaniumnitride/NBRcomposites(改型纳米氮化钛/NBR复合材料的制备及性能研究)[J].China Rub-ber Industry(橡胶工业),2009,56(3):161

[4]Lu Qin(路琴),Zhang Jing(张静),He Chunxia(何春霞).Friction and wear properties of PTFEcomposites filled with nano-titaniumnitride(聚四氟乙烯/纳米氮化钛复合材料的摩擦磨损性能研究)[J].China Plastics(中国塑料),2008,22(4):21

[5]Zhu Xiebin(朱协彬),Duan Xuechen(段学臣),Chen Haiqing(陈海清).Effects of three dispersants on stability of ITO suspension(3种分散剂对ITO料浆稳定性能的影响)[J].Chinese J Nonferrous Metals(中国有色金属学报),2007,17(1):161

[6]Feng Ping(丰平),Xiong Weihao(熊惟皓).Dispersion be-havior of nanosized Ti N powder in water and absolute ethyl alcohol(纳米Ti N粉末在水溶液和无水乙醇中的分散行为)[J].Chinese J Process Eng(过程工程学报),2005,5(1):63

TIN组织 第6篇

机械加工中的切削加工技术是最常用的技术之一, 它是目前绝大部分机械零件最终成形所采用的主要技术[1,2,3]。切削加工中的高速切削具有效率高、精度高以及工序简单等优点, 是目前世界各国重点开发的切削技术之一[4,5,6]。与普通的切削技术工艺相比, 高速切削可大幅度提高加工过程中的生产效率, 单位时间内材料去除率可提高3~5倍甚至更高。但是, 由于在高速切削过程中的切削速度很快, 这就会使得刀具的切削温度急剧升高, 从而使得刀具发生破坏[7,8]。因此, 开发具有力学性能好、熔点高、硬度高、韧性好以及抗热冲击性能强的刀具材料对切削行业至关重要。Ti (C, N) 基金属复合陶瓷材料与传统的WC硬质合金材料以及Ti C基金属陶瓷材料相比, 具有更好的性能, 如更高的机械强度、断裂韧性以及耐磨性能等。因而, 利用Ti C/Ti N复合陶瓷材料制备机械切削用陶瓷刀具, 可以获得具有足够的强度、韧度、硬度以及高耐磨性能, 可以满足高速切削用刀具材料的要求[9,10,11]。

基于此, 本文以Ti C粉和Ti N粉为主要原料, 以Ni粉、Cr粉以及Co粉为烧结助剂, 采用真空热压烧结工艺制备了Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料。分析了烧结样品的相对密度、弯曲强度、断裂韧性以及硬度值, 为Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的应用提供了一定的参考。

1 实验

实验采用的原料有5μm左右的Ti C和Ti N粉, 纯度均化学纯;所采用的添加剂材料Ni粉、Cr粉以及Co粉粒径为30μm左右, 纯度均为分析纯。实验设计了A系列配方组成, 如表1所示, 其中, 控制Ti C与Ti N二者添加量的比例为3∶1, 控制添加剂原料Cr粉与Ni粉以及Co粉添加量比例控制为1∶3∶1。采用真空热压烧结工艺制备了Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料。实验中采用湿法球磨方法将粉料球磨混匀, 球磨介质为无水乙醇, 然后将混匀的粉料料浆置于托盘中, 在110℃烘箱中烘干。将干燥后粉料进行真空热压烧结, 烧结温度区间为1400~1500℃, 每隔20℃设一个烧结温度点, 热压压力为15 MPa, 烧结终点保温时间为30 min。烧结后样品采用陶瓷精密切割机切割制成3 mm4 mm30 mm的标准样品, 采用XKM-5100电子万能试验机, 利用三点弯曲法测定样品的弯曲强度, 跨距为32 mm, 加载速率为0.5mm/min。用CMRPSS-400电子万能试验机压痕法测量样品的断裂韧性。用HV-120维氏硬度计测量烧结样品硬度, 载荷为50 N, 保压10 s。

2 结果分析与讨论

2.1 相对密度分析

图1是添加不同量微米Cr、Ni以及Co粉后对Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的相对密度的影响。由图可知, 烧结后样品的相对密度随热压烧结温度的升高呈现先增加后下降的趋势。结合表1陶瓷刀具材料配方组成可知, 烧结后样品的相对密度随微米Ti C和Ti N添加量的减少, 随微米Cr、Ni以及Co粉添加量的增加呈现先增加后减小的趋势。从图1中可以发现, 当微米Ti C的添加量为48 wt%, 微米Ti N的添加量为16 wt%时 (A3配方) , Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的相对密度相对其它配方最大, 且当热压烧结温度为1480℃时, 热压烧结后样品的相对密度为95.2%, 达到最大值, 此时的样品较致密, 有助于Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料力学性能以及微观组织性能的提高。从图1中还可发现, 当微米Ti C和微米Ti N添加量分别为60 wt%和20 wt%时, 热压烧结后样品的相对密度最小, 这说明, 当配方中微米Cr、Ni以及Co粉的添加量较少时, 不利于热压烧结样品致密度的提高。这是因为, Ti C/Ti N基陶瓷刀具材料样品的烧结过程属于液相烧结, 致密化的主要动力来源于金属相的塑性流动以及陶瓷相颗粒的重排, 在这一过程中伴随着粉料中孔洞的消失。因而, 当配方中微米Cr、Ni以及Co粉添加量不足, 将会导致在烧结过程中液相量较少, 因而就不能获得致密的烧结体, 这从A1和A2配方中即可很明显得观察到, A1和A2配方相对密度最高点均出现在1480℃, 分别为77%和86%。

2.2 弯曲强度分析

图2是添加不同量微米Cr、Ni以及Co粉后对Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的弯曲强度的影响。从图2中可以发现, 所制备的陶瓷刀具材料样品的弯曲强度随金属添加剂的增多而增大。从图2中还可发现, 随热压温度的升高, A系列热压烧结陶瓷刀具材料样品的弯曲强度呈现先增加后减小的趋势。其中, 最高的弯曲强度基本出现在1480℃, A1至A4配方烧结样品弯曲强度分别为295 MPa、326 MPa、575 MPa以及452 MPa, 由此可说明1480℃烧结的A3样品最佳。这是因为, 在同一烧结温度点时, A1和A2配方中金属相含量分别为20%和28%, 相对与A3配方中金属相含量36%要少, 在热压烧结过程中, 液相量不足, 造成烧结后样品中气孔多, 所以A1和A2配方弯曲强度比A3要低。同时可发现, 在同一烧结温度点时, A4配方中金属相的含量为44%, 要高于A3配方中金属相的含量, 但是其弯曲强度要低于A3配方, 这是因为, A4配方中金属相添加量过量, 造成烧结过程中液相溢出, 同时样品内部发生鼓泡现象, 从而造成了烧结样品弯曲强度的下降。从图2中还可发现, 当烧结温度点超过1480℃后, 各配方弯曲强度均出现下降现象, 分析可知, 当烧结温度超过1480℃后, 样品内部容易出现脱氮反应, 在试样内部形成微小空隙, 从而造成烧结样品的弯曲强度下降。

2.3 断裂韧性分析

图3是添加不同量微米Cr、Ni以及Co粉后Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的断裂韧性随烧结温度变化曲线。由图3可知, A系列配方复合陶瓷刀具材料断裂韧性随烧结温度升高呈现先上升后下降的趋势。当热压烧结温度为1480时, 热压烧结后样品的断裂韧性值最大, 分别为5.42 MPam1/2、6.20 MPam1/2、9.32 MPam1/2以及9.13 MPam1/2。从图中可以发现, 当金属相添加量为20% (A1配方) 和28% (A2配方) 时, 热压烧结Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的断裂韧性要明显低于36% (A3配方) 和44% (A4配方) 烧结样品。这是因为, 结合图1和2分析知, 当金属相含量较低时, 烧结后样品致密度不够高, 因而陶瓷颗粒相与金属相界面结合强度较低, 样品断裂时, 主要出现沿晶断裂;当金属相含量较高时, 烧结后样品致密度明显提高, 因而陶瓷颗粒相与金属相界面结合强度较高, 样品断裂时, 主要出现穿晶断裂, 大大增加了裂纹在试样内扩展的路径, 因而烧结后样品的强度和韧性要好。A1和A2配方中金属相不够, 断裂时主要出现沿晶断裂, 而A3和A4中有充足的金属相, 断裂时候主要出现穿晶断裂。因而A3和A4配方断裂韧性要比A1和A2配方好。同时, 从图3中可发现, A4配方断裂韧性要稍微低于A3配方, 主要是由于A4配方在烧结过程中液相量过多, 造成烧结后样品出现轻微的鼓泡现象, 从而降低其断裂韧性。

2.4 硬度值分析

图4是添加不同量微米Cr、Ni以及Co粉后Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的硬度值随烧结温度变化曲线。从图中可以发现, A系列复合金属陶瓷模具材料热压烧结后样品的硬度值均随烧结温度升高先增加后下降, 随金属相添加量增加呈现先增加后下降趋势。从图中可知, 热压烧结A系列Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的硬度值均在1480℃出现最大值, 分别为802 kgf/mm2、877 kgf/mm2、1288 kgf/mm2以及1188 kgf/mm2。结合表1以及烧结后样品的致密度 (图1) 以及弯曲强度 (图2) 分析可知, 配方中Ti C和Ti N微粉添加量过多, 导致金属相添加量的减少, 从而使得烧结后样品中气孔较多、致密度和强度较低, 而样品中气孔的存在会使得样品的硬度值明显下降, 这是在相同烧结温度点下A1和A2配方硬度值明显低于A3和A4配方的主要原因。同时, 理论分析可知, 金属相的硬度值要低于陶瓷相的硬度值, 随着金属相添加量的不断增加, A3和A4配方中烧结样品的致密度基本相当, 但是A4配方中金属相要多于A3配方, 因而其硬度值要低于A3配方。随着烧结温度超过1480℃, 烧结样品中出现轻微鼓泡, 使得样品中气孔增加, 最终使得烧结样品硬度值下降。

2.5 相组成及显微结构分析

图5是1480℃烧结的A3刀具材料XRD图谱, 从图中可以发现, 最佳配方A3在1480℃烧结后, 所添加的Ti C与Ti N在烧结后经过反应产生了Ti (C, N) 固溶体, 这种固溶体的存在, 有助于烧结样品的致密化以及力学性能的提高。同时还可发现, 添加的Ni以及Cr之间发生反应, 生成Ni Cr合金, 合金相在陶瓷刀具材料中的存在有助于提高刀具材料的断裂韧性。图6是1480℃烧结的A3刀具材料断面SEM形貌图。从图中可以发现, 陶瓷刀具材料的断口存在大量的穿晶断裂, 同时也存在沿晶断裂。大量穿晶断裂的存在, 说明陶瓷刀具材料烧结后, 基体陶瓷颗粒与金属结合相之间结合紧密, 因而, 烧结体的强度高。断口中还可发现存在沿晶断裂现象, 这主要是陶瓷刀具材料中金属相的断裂产生, 沿晶裂纹扩展路径越长, 说明所烧结的复合陶瓷刀具材料强度以及断裂韧性越好。

3 结论

(1) 当微米Ti C添加量为48 wt%, Ti N为16 wt%时, 所制备的复合金属陶瓷模具材料性能最佳, 相对密度值为95.2%, 弯曲强度575 MPa, 断裂韧性为9.32 MPam1/2, 硬度值为1288 kgf/mm2。

(2) 添加适量的微米Cr、Ni以及Co粉可以促进Ti C/Ti N复合陶瓷刀具材料的液相烧结, 烧结后样品适量金属相的存在可提高复合陶瓷刀具材料的弯曲强度、断裂韧性以及硬度值。

摘要：以微米TiC和TiN为主要原料, 以微米Cr、Ni以及Co为添加剂, 采用真空热压烧结工艺制备了TiC/TiN复合陶瓷刀具材料。测试和分析了烧结样品的相对密度、弯曲强度、断裂韧性以及硬度性能。结果表明, 当微米TiC添加量 (质量百分数) 为48%, TiN为16%、Cr为7.2%、Ni为21.6%以及Co为7.2%时, 所制备的复合陶瓷刀具材料性能最佳, 相对密度值为95.2%, 弯曲强度575 MPa, 断裂韧性为9.32 MPa·m1/2, 硬度值为1288 kgf/mm2。

关键词：微米TiC,微米TiN,金属相,热压烧结,力学性能

参考文献

[1]刘战强, 艾兴.高速切削刀具磨损表面形态研究[J].摩擦学学报, 2002, 22 (6) :468-471.

[2]帅汉民.金属切削理论及其应用新探[M].华中科技大学出版社, 2003:1-9.

[3]薛建勋.工程陶瓷切削加工技术研究[J].中国陶瓷, 2012, 48 (07) :54-56.

[4]Surappa M.Aluminium matrix composites:Challenges and opportunities[J].Sadhana, 2003, 28 (1) :319-334.

[5]陈焱, 刘宁.金属陶瓷刀具切削性能的研究[J].硬质合金, 2008, 24 (4) :226-231.

[6]罗芳.Al2O3-TiN基复合陶瓷材料的制备及性能[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2009:28-54.

[7]刘峰晓, 贺跃辉, 黄伯云, 等.Ti (C, N) 基金属陶瓷的发展现状及趋势[J].粉末冶金技术, 2004, (4) :236-240.

[8]Shanyong Zhang.Titanium carbonitride-based cermets:processes and properties[J].Materials Science and Engineering A, 1993, 163:141-148.

[9]王洪涛, 熊惟皓.Ti (C, N) 基金属陶瓷合金成份与性能研究进展[J].粉末冶金工业, 2006, (4) :36-41.

[10]N.Liu, Y.D.Xu, H.Li, et al.Effect of nano-micro TiN addition on the microstructure and mechanical properties of TiC based cermets[J].Journal of the European Ceramic Society, 2002 (22) :2409-2414.

TIN组织 第7篇

TIN(不规则三角网格)是直接利用测区内野外实测的所有地形特征点(离散数据点)构造出邻接三角形组成的格网型结构。Delaunay三角网是其中的一种表现形式,也是一种主要的DTM(数字高程模型)表示法。Delaunay三角网的优点是结构良好,数据结构简单,数据冗余度小,存储效率高,与不规则的地面特性和谐一致,可以表示线形特征和迭加任意形状的区域边界,易于更新,可适应各种分布密度的数据等。由于不规则三角网结构的DTM是以三角形为基本单元表达实际地形的,所以山脊线、山谷线等地形线是不通过TIN中的任一三角形内部的。因此,只有构建含有地形线的TIN才能够产生准确的数字地形模型。

本文在建网阶段,采用逐点插入的思想,同时对传统的逐点插入法进行了改进,提高了初始建网的速度。

为了能快速高效地嵌入地形线,本文采用强行约束线插入算法。与传统的地形线嵌入算法相比,本算法最大的特点是执行速度快,由于省掉了传统算法每次向外扩展时计算最大角度的工作,所以能够很快地完成影响域的重建。同时算法非常简单,程序容易实现。算法的缺点是交换对角线后会产生平三角形,但是对于复杂地形的构建,精确度和速度是首要的,所以算法在解决地形线插入问题上还是有很好的效果的。

1 Delaunay三角网的定义

Delaunay三角网作为Voronoi图的伴生图形,是被普遍接受和采用的分析研究区域离散数据的有力工具。Delaunay三角网通过连接具有公共顶点的三个V多边形的生长中心生成,这个公共顶点就是形成的Delaunay三角形外接圆的圆心。

Delaunay三角网是一系列相连的但不重叠的三角形的集合,具有以下两个性质:

每个Delaunay三角形的外接圆不包含面内的其他任何点,称之为Delaunay三角网的空外接圆性质。

在由点集V中所能形成的三角网中,Delaunay三角网中三角形的最小角度是最大的。

2 逐点插入法生成三角网

逐点插入法是把未处理过的数据点逐一插入到一个已存在的Delaunay三角网内,然后优化整个三角网,目前的算法大都没有脱离逐点插入法,只是在数据结构和初始三角网的确立上略有不同。算法优点在于数据结构简单,空间复杂度低,易于理解,但时间性能较低。本文通过证明(定理1)提出了一种有效的逐点插入方法。通过求出插入点所在的影响域,将插入点与影响域的其他各个点相连,这样构成的三角网便满足Delaunay性质,该方法无需计算点与三角形位置关系和LOP优化过程,提高了运算速度。

2.1 基本概念及证明

为了能够更好地描述算法,提出以下几个概念和定理证明:

超三角形 对于给定的有限点集,一个将所有点都包含其中的三角形叫作超三角形,一个有限点集有无数的超三角形,一个易于计算的合理的超三角形是包含所有点的沿坐标轴方向的矩形凸包的外接圆的外切三角形。

影响域 如果插入点在当前三角网中的某个三角形的外接圆内,则该三角形称为影响三角形,这样的三角形的集合称为影响域。

定理1 连接插入点与影响域其他点构成的三角形网是Delaunay三角网。

证明:(反证法证明)

设影响域点集S1,影响域三角型集合T1,约束点P,所有点的集合S2=S1+P。

假设连接插入点与影响域其他顶点构成的三角形网T2不满足Delaunay性质。

则对于当前点集S2,必然存在新的三角形集合T3,使得T3满足Delaunay性质,∵ T3≠T2,∴ ∃t,t={S1(i),S1(j),S1(k)},t∈T3& t∉T2。

因为插入P后T1中的所有三角形元素都不再满足Delaunay性质,所以t不属于T1。因为对于固定点集S1的Delaunay三角网T1是唯一的,所以t、t3不满足Delaunay性质。假设不成立,结论成立,连接插入点与影响域其他点构成的三角形网是Delaunay三角网。

2.2 算法步骤

为实现算法,设输入点集S,边集合Edges和三角形集合Tris。

步骤1 根据输入点集计算超三角形,将该三角形放入Tris里。

步骤2 如果S为空,转步骤5,否则从S中取出一点,遍历三角形集合Tris,如果点在当前遍历的三角形的外接圆内,则将该三角形的三条边放入到边集合Edges里,同时将该三角形从Tris里删除。遍历完后转步骤3。

步骤3 对于边集Edges,如果有重复的边,则将重复的边全部删除。因为出现重复的边,说明这条边不是影响域的边界边,而连接这样的边与待插入点形成的三角形将不满足Delaunay性质。转步骤4。

步骤4 连接Edges的边的顶点与待插入点构成三角形,将新生成的三角形放入Tris中。转步骤2。

步骤5 将三角形栈中与超三角形三个顶点相关的三角形删除,算法执行完毕。

实验结果如图2所示。

3 强行约束线插入算法

约束Delaunay三角剖分的传统算法是:对非约束线顶点进行标准的Delaunay三角剖分,然后加入约束线,找出约束线的影响区域,再对区域进行三角网的重建。采用生长法重建过程复杂,时间效率不高。

强行约束线插入算法是将边界点与内点一起进行标准的Delaunay三角剖分,然后强行嵌入不在剖分中的约束边。这里再次引入影响域的概念,影响域定义为约束边所经过的三角形构成的多边形区域,其中与待嵌入约束边相交的边称为影响域的对角线[4]。本文采用的算法是对“四边形对角线交换”算法的多次调用,通过多次交换对角线最终完成约束线的嵌入。

3.1 对角线的可交换性

判断对角线是否可交换是本文算法的一个关键问题,实验发现,如果对角线所在区域为凹四边形,则交换无法正常进行,因为在这种情况下,交换对角线后将影响域外三角形。所以判断对角线的可交换性即为判断四边形的凹凸性。

相关定理:

定理2 设直线上两点V1(x1,y1),V2(x2,y2)及点P(xp,yp),如果满足:

(xp-x1)*(y2-y1)-(yp-y1)*(x2-x1)<0 则点P在V1,V2构成的直线的上方。

(xp-x1)*(y2-y1)-(yp-y1)*(x2-x1)>0 则点P在V1,V2构成的直线的下方。

由定理2可得以下结论:

直线L起始点坐标为(x1,y1),(x2,y2)与直线外两点P(xp,yp),Q(xq,yq)。如果满足:

[(xp-x1)*(y2-y1)-(x2-x1)*(yp-y1)]*[(xq-x1)*(y2-y1)-(x2-x1)*(yq-y1)]>0

则P,Q在直线L的同侧。

如果对于四边形的任意一条边,其余的两点在该边所在直线的同侧,则四边形为凸四边形。

3.2 影响域查找

地形线插入的另一个关键问题是查找影响域的速度,本文采用方向搜索技术很好地解决了这一问题,避免了对大量无用三角形的搜索。

由三角网的性质可知,对于三角网内的任意一条非边界边,该边必然被两个三角形共用。方向搜索方法为:如果约束线与一条非边界边相交,则该非边界边所在的两个三角形必然是影响域三角形。这里的相交是指交点不在相交的两条线段的端点上。

查找过程如下:

步骤1 查找约束线的第一个点所在的三角形集合。

步骤2 遍历步骤1中的三角形集合,找到与约束线相交的三角形。

步骤3 根据得到的与约束线相交的边就可以很快地定位到下一个三角形,并且这个新找到的三角形一定是影响域。

步骤4 重复步骤3直到约束线的另一个端点成为某个三角形的顶点,至此,影响域的查找过程结束。

3.3 算法步骤

设nextEdge指向对角线集合中的对角线,则算法如下:

步骤1 输入要强行嵌入的边(vi,vj),转步骤2。

步骤2 如果(vi,vj)已经是当前网格内的一条边,程序结束。否则按前面提到的方法查找影响域,并且将影响域三角形放入到影响域集合incidence里,把对角线放入到对角线链表catercornerSet里,将nextEdge指向catercornerSet。

步骤3 计算nextEdge所在四边形的凹凸性标志flag,如果flag为真,则转步骤4,否则转步骤5。

步骤4 交换四边形的对角线,将nextEdge从catercornerSet里删除,如果新的对角线就是要嵌入的边,程序执行完毕,影响域重建结束。否则将新对角线加入到catercornerSet,从incidence里删除包含nextEdge的三角形,加入新生成的两个三角形,nextEdge指向nextEdge.next,转步骤6。

步骤5 nextEdge指向nextEdge.next,转步骤6。

步骤6 如果nextEdge等于NULL,说明之前一定还有与约束线相交的对角线存在,nextEdge指向catercornerSet,转步骤3。

在步骤4中还可以加入对新生成的对角线与约束线的相交性的测试,如果不相交,则新对角线不必加入到catercornerSet里,这样可以避免在以后的操作中对其重复判断。

实验结果如图3所示。

4 结 论

以不规则三角网(TIN)为表现形式的数字地面模型与以网格表现形式相比,更能反映原始地形的细节,而且具有地表重构精度高及对不规则区域数据点分布适应能力强的特点。D-三角网是数字地面模型的一个重要表示方法和分析处理手段。本文对D-三角网的建立过程进行了研究,并从实现上对建网的过程进行了优化,提出了快速查找约束线影响域的方法,提高了建网的效率。

参考文献

[1]DT Lee.Generalized Delaunay Triangulation for Planar Graphs[J].Discrete and Computatinal Geometry,1988,44:1-29.

[2]Macedond G,Pareschim T.An algorithm for the triangulation of arbi-trarily distributed points:applications to volume estimate and terrainfitting[J].Computers and Geosciences,2001,17(7):859-874.

[3]Philip J Schneider,David H Eberly.Geometric Tools for ComputerGraphics[M].Morgan Kaufmann Publisher.

[4]李立新,谭建荣.约束Delaunay三角剖分中强行嵌入约束边的多对角线交换算法[J].计算机学报,1999,22(10).

[5]赖洪斌,李永树.基于不规则三角网的DTM若干问题的探讨[J].重庆交通学院学报,2004,123(2).

[6]周培德.计算几何——算法分析与设计[M].清华大学出版社,2000:57-105.

[7]刘锦忠,马辉.基于等高线的DEM生成算法研究和实现[J].现代测绘,2004,127(3).