多孔金属纤维烧结材料作为一种新型功能性材料被广泛应用在各种工业应用环境中。例如,能量吸收、过滤与分离、燃料电池负载等。定量表征其内部结构特征,分析结构与性能之间的关联,对于改进材料加工工艺,进而优化材料结构,提升应用性能具有重要意义。本文以多齿切削加工的金属纤维为原料、利用固相烧结技术形成的多孔金属纤维烧结板为研究对象,通过Micro-CT断层扫描获取该多孔纤维材料的内部结构三维图像数据,采用骨骼提取算法提取材料的中轴表示,获取材料的形态统计数据,进而结合形态统计结果对纤维烧结板的断裂性能进行了预测研究。此外,结合形态统计数据对材料进行三维几何特征的主动建模,通过仿真手段研究材料的流体传输性能,分析微观结构对传输性能的影响,从而为材料结构的进一步设计与优化提供可靠的形态数据基础、数字化建模手段,以及性能分析方法。本文主要研究内容如下:1.基于骨骼提取与分割技术的多孔金属纤维材料微结构定量表征为了定量表征多孔金属纤维烧结板的内部结构特征,本文采用Micro-CT断层扫描技术获取材料内部结构的三维图像数据,采用基于距离函数的细化算法获取材料结构的骨骼表示,引入尺度轴变换对细化算法提取的骨骼进行了优化。通过多步骨骼剪枝与分割操作将纤维骨骼网络分解成许多纤维段,分析并获取包括纤维段类型、半径、长度、朝向以及扭曲度的形态统计数据,为材料性能的分析预测与三维主动设计模型的建立提供定量的形态统计数据基础。2.多孔金属纤维烧结板断裂能模型预测研究针对现有金属纤维烧结板断裂能预测模型与实验测量结果存在较大偏差的情况,本文结合纤维分布形态统计数据与实验观察结果,对金属纤维烧结板断裂能预测模型进行了改进,使其符合最大剪应力方向准则和单根纤维拉伸应力应变特征。通过对比改进前后预测模型与实验测量结果验证了改进之后预测模型的有效性,对引起预测误差的可能因素进行了分析,并对纤维板断裂行为中微观结构的演变过程进行了分阶段定量分析。3.多孔金属纤维烧结材料代表体元尺寸研究与虚拟主动设计模型的建立为了分析微观模型尺寸对材料宏观属性的影响,进而确定模型代表体元尺寸,本文对若干组不同大小纤维板三维图像区域内的材料几何属性(孔隙率、比表面积)进行了统计比较。通过设定几何属性标准差门限,确定微观模型代表体元尺寸;此外,在构建多孔金属纤维烧结板主动设计模型的过程中,为了获取纤维板中纤维朝向分布数据,对纤维段朝向分布进行了长度加权处理。选取纤维朝向可控的参数化主动设计模型,通过形态控制参数调节生成模型的孔隙率、纤维扭曲度与朝向分布特征,使之与实际材料结构特征相匹配,并最终形成虚拟几何模型代表体元。4.多孔金属纤维烧结材料流体传输性能仿真分析为了研究纤维板孔隙结构和材料传输性能的关联,本文采用最大球方法对孔隙空间进行了定量表征;采用快速行进算法对材料的整体扭曲度进行了计算。分别采用格子Boltzmann方法和有限体积法对材料的传输性能进行了仿真研究,两种仿真得到的材料横向(垂直于材料平面)渗透率基本一致。其中,结合Micro-CT扫描图像数据,采用格子Boltzmann方法对纤维多孔材料的横向渗透率进行了研究。比较了仿真区域大小、图像重采样率对渗透率仿真结果的影响,通过对比渗透率理论分析模型验证了仿真结果的准确性,并验证了仿真渗透率与孔径平方大小的线性关系;此外,将纤维材料主动设计模型对应的孔隙模型导入Fluent软件进行流体仿真,绘制不同轴向流量与压降的变化曲线,计算渗透率。本文分别将仿真结果与实验测量和理论分析模型结果进行了比较,初步验证了主动设计模型的有效性,并基于主动设计的孔隙模型分析了不同流向与纤维朝向分布对纤维材料渗透率的影响。