CN103366377A - 一种基于形貌特征的微接触特性与图像阀值处理方法 - Google Patents

Abstract

一种基于形貌特征的微接触特性与图像阀值处理方法，步骤为：将需要研究的样本表面进行表面成像，获取该样本表面的微形貌特征；设置采样的点阵密度，输出描述表面轮廓特征的点阵数据；去除错误点、插值处理后，读入处理，将拟合的曲面导入进行接触分析，通过MODEL操作将曲面封闭为实体，建立封闭实体；将导入的实体进行网格划分，表面网格要进行多次的细化，获得可供分析的有限元模型，进行预应力接触分析，获得接触表面的预应力分布图像，获得不同阀值范围的接触应力的情况，研究者通过计算出不同颜色下的轮廓所占的面积，从而精确地获得该接触状态下的接触表面之间的接触面积。本发明可以有效且精确地获得接触表面的接触特性。

Description

一种基于形貌特征的微接触特性与图像阀值处理方法

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，涉及一种基于形貌特征的微接触特性与图像阀值处理方法。

背景技术

关于粗糙面形貌表征的问题，随着测量仪器的不断发展，数字模拟技术的研究也在不断深入，80年代G.Binnig和H.Rohrer发明的STM和AFM,以及在此基础上发展的各种SPM技术使3D微观形貌测量和分析进入了一个崭新的阶段。

使用传统微接触方法研究材料摩擦特性的方法始于20世纪60年代，经典的统计分析微接触力学模型是1966年Greenwood与Williamson共同提出的，1970年Whitehouse与Archard共同建立了同样基于统计学参数的W-A模型。1988年WR.Chang建立了基于高斯分布理论的摩擦系数模型（CEB），通过对该模型施加载荷P，利用Hamilton表达式，求出模型所能承受的最大剪切力Q，进而求出该模型的静摩擦系数。1994年S.K.Roy等将粘附作用的影响加入CEB模型中，分析了单一微凸峰所能承受的最大剪切载荷。2004年Lior Kogut对CEB模型进行了完善，考虑了微凸峰半径和斜度的变化，并对模型的摩擦系数进行了预测。近些年，随着商用软件的发展，使得通过软件对真实形貌进行接触分析成为可能，在齿轮接触应力分析方面，商用软件的应用已经非常普遍，但涉及微接触特征的表面表征与图像处理与分析还相对较少。

发明内容

本发明的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于形貌特征的微接触特性与图像阀值处理方法，解决了在理论模型的接触分析时不规则表面的接触区域难以合理表征的问题，通过将表面的轮廓图像进行阀值与二值化处理，获得了精确计算微接触模型接触面积的方法。

本发明的技术方案：发明这种基于形貌特征的微接触特性与图像阀值分析方法，其特征在于该方法的独有的表面表示方法和阀值处理技术，该方法具体步骤如下：

步骤一：使用镭射显微镜将需要研究的样本表面进行表面成像，通过计算机获取该样本表面的微形貌特征。

步骤二：设置采样的点阵密度，通过计算机输出描述表面轮廓特征的点阵数据。

步骤三：针对获得的数据点阵，通过去除错误点、插值等处理后，读入Matlab分析处理，获得插值后表面形貌的图像。

步骤四：将MATLAB拟合的曲面导入ANSYS进行接触分析，在ANSYS中通过MODEL操作将曲面封闭为实体，建立封闭实体。

步骤五：将导入的实体进行网格划分，表面网格要进行多次的细化，获得可供分析的有限元模型。

步骤六：对ANSYS有限元模型进行预应力接触分析，获得接触表面的预应力分布图像。

步骤七：在获得的预应力分布图像上，通过控制接触分析结果的应力阀值范围，获得不同阀值范围的接触应力的情况，实现对于不同接触状态下的接触特性的判定；

步骤八：将图像进行二值化处理，把不同应力阀值范围的区域标示成不同的颜色，研究者通过计算出不同颜色下的轮廓所占的面积，从而精确地获得该接触状态下的接触表面之间的接触面积。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明针对于表面轮廓不规则的接触表面进行建模，通过阀值处理将预应力变化转化为表面接触特性，为粗糙表面接触分析提供了分析手段和技术支撑。

（2）本发明既可以针对不还润滑油的两个接触表面的固固接触分析，也可以用以接触表面含有润滑油的固液接触分析，应用范围广。

（3）本发明是建立在镭射显微镜成像技术基础上的，适合于粗糙表面复杂轮廓的接触处理，处理结果可靠。

（4）对于本发明的应用范围，涉及微接触特征的粗糙表面固固接触，以及固液接触的研究。该方法既适用于金属接触也适用于非金属接触，对于不规则粗糙表面建模与接触分析研究，应用本发明可以有效且精确地获得接触表面的接触特性。

附图说明

图1为本发明基于形貌特征的微接触特性与图像阀值处理方法流程图；

图2为镭射显微镜表面形貌采集图像；

图3为由采集数据获得的MATLAB三维表面；

图4为MATLAB拟合过程；

图5为MATLAB拟合曲面导入ANSYS的实体；

图6为接触分析应力图；

图7为图像二值化后的接触区域形貌；

图8为边界接触面积示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。该方法的流程图如图1所示。

发明这种应用于微接触特征的表面表征与图像阀值分析方法，其特征在于该方法的独有的表面表示方法和阀值处理技术，该方法具体实施方式如下：

步骤一：首先将待分析的表面用95%的酒精擦拭，去除表面的油渍，以免影响建模准确性。确定出需要建模的表面接触区域，将其放置于镭射显微镜下，使用镭射显微镜将需要研究的样本表面进行表面成像，采样的基准以理想表面的所在的平面为基准，通过计算机采集系统获取该样本表面的形貌特征图像。

步骤二：通过计算机设置采样的点阵密度，点阵密度的设置会影响输出模型的精确程度，点阵越密精确程度越高。将计算机采集的数据点阵进行输出，输出的数据为各相邻点的位置信息和高度信息。将数据点以坐标和高度的形式输出在.TXT文件当中。

步骤三：针对获得的数据点阵，建立以理想平面为基准的对称容错区间，通过计算机的数据遍历和筛选，将容错区间以外的数据去除。通过双向平均规范积累弦长参数化方法，将数据点阵进行参数化。具体的参数化方法如下式所示。

对点阵数据分别在u方向和v方向进行参数化，设沿u向第j（j=0,1,2...,n）排数据点P_ij(i=0,1,2...,m)的规范积累弦长的参数化为u_ij（i=0,1,2...,m），则公共的u向参数化可取其算数平均值：

$u_i=\frac{1}{n+1}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{ij}},i=\mathrm{0,1,2}...,m$                式1

类似有，在v方向的参数化公式为：

$v_j=\frac{1}{m+1}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{ij}},j=\mathrm{0,1,2}...,n$                式2

利用Hermite插值在两个方向上对参数化后的数据点阵进行插值处理，利用Hermite插值得到的曲面连续性得到了一定的改善，但是光滑程度依赖于插值基函数的次数，一般采用三次Hermite插值，形成二阶连续的曲面，插值函数如式3所示。

$p_i\left(u\right)=\left[F_{i0}\left(u\right)F_{i1}\left(u\right)G_{i0}\left(u\right)G_{i1}\left(u\right)\right]\left[\begin{array}{c}{p}_i\\ p_{i+1}\\ {\stackrel{\·}{p}}_i\\ {\stackrel{\·}{p}}_{i+1}\end{array}\right],u_i\≤u\≤u_{i+1},i=\mathrm{0,1,2}...,n-1$

$p_i\left(v\right)=\left[F_{i0}\left(v\right)F_{i1}\left(v\right)G_{i0}\left(v\right)G_{i1}\left(v\right)\right]\left[\begin{array}{c}{p}_i\\ p_{i+1}\\ {\stackrel{\·}{p}}_i\\ {\stackrel{\·}{p}}_{i+1}\end{array}\right],v_i\≤v\≤v_{i+1},i=\mathrm{0,1,2}...,n-1$ 式3

式1、式2、式3中u_ij为u方向即数据点x方向的第j排数据的参数化数据；v_ij为v方向即数据点y方向的第j排数据的参数化数据；

u_i为u向的第i个公共参数化数据；

v_i为v向的第i个公共参数化数据；

F_i0(u)F_i1(u)G_i0(u)G_i1(u)为待定的u方向的Hermite插值基函数；

F_i0(v)F_i1(v)G_i0(v)G_i1(v)为待定的v方向的Hermite插值基函数；

P_i为i点的数据点值；

为i数据点的切失；

将形成的插值曲面读入Matlab分析处理，获得插值后表面形貌的图像。

步骤四：将MATLAB拟合的曲面导入ANSYS进行接触分析，因为导入信息只包含曲面信息不包含实体信息，所以在进行曲面的导入后还要将模型实体化，在ANSYS中通过MODEL操作将曲面封闭为实体，建立封闭实体。

步骤五：将导入的实体进行网格划分，表面网格要进行多次的细化，获得可供分析的有限元模型，输入模型的弹性模量和泊松比等信息，建立刚性平面，提前给出偏置，通过将平面中最高点的位移坐标作为刚性平面的位置坐标，将其作固定约束，指定接触平面为一组接触对。

步骤六：对ANSYS有限元模型进行预应力接触分析，对模型底面施加面压力的法向（z方向）载荷。通过分析获取接触表面的von misses应力分布云图。

步骤七：通过控制接触分析结果的应力阀值范围，在接触表面的von misses应力分布云图上划分出阀值范围内的区域，以此获得不同阀值范围的接触特性的情况，实现对于不同接触状态下的接触特性的判定。

步骤八：将图像进行二值化处理，通过像素分析，可以获得不同颜色区域所占整个区域的面积的比例，若需要改变接触状态，可以将阀值范围限定到其他的值，并且在改变后的阀值范围内，进行区域的划分与二值化处理，计算出特定颜色下的轮廓所占的面积，从而精确地获得该接触状态下的接触表面之间的接触面积。

下面具体举例说明：

以Cu基粉末冶金摩擦元件摩擦表面接触特性分析为例，说明该发明的具体步骤：

步骤一：选取Cu基粉末冶金摩擦片为研究对象，研究该摩擦片与对偶钢片之间相互接触时的接触特性。首先将摩擦片的表面待表面用95%的酒精擦拭，去除表面的油渍，以免影响建模准确性。选取选取0.1mm×0.1mm的区域作为观察采样的区域，将其放置于镭射显微镜下，使用镭射显微镜将需要研究的样本表面进行表面成像，采样的基准以理想表面的所在的平面为基准，高于标准平面的点为正值，低于该平面的点为负值。通过计算机采集系统获取该样本表面的微形貌特征图像，如图2所示。

步骤二：通过计算机设置采样的点阵密度，本实例所采用的采样点阵的密度为500×500.点阵密度的设置会影响输出模型的精确程度，点阵越密精确程度越高。

相邻两个点之间的距离为：0.2μm将计算机采集的数据点阵进行输出，输出的数据为各相邻点的位置信息和高度信息。将数据点以坐标和高度的形式输出在.TXT文件当中，数据如下表所示。

表1数据点阵（单位nm）

步骤三：针对获得的数据点阵，建立以理想平面为基准的对称容错区间，本实例所采用的容错区间为：（-0.5μm～+0.5μm）通过计算机的数据遍历和筛选，将容错区间以外的数据去除。通过双向平均规范积累弦长参数化方法，将数据点阵按照公式1和公式2进行参数化。利用Hermite插值在两个方向上对参数化后的数据点阵进行插值处理，利用Hermite插值得到的曲面连续性得到了一定的改善，但是光滑程度依赖于插值基函数的次数，一般采用三次Hermite插值，利用公式3计算并形成二阶连续的曲面。将形成的插值曲面读入Matlab分析处理，获得插值后表面形貌的图像，如图3所示。

步骤四：将MATLAB拟合的曲面导入ANSYS进行接触分析，因为导入信息只包含曲面信息不包含实体信息，所以在进行曲面的导入后还要将模型实体化，在ANSYS中通过MODEL操作将曲面封闭为实体，建立封闭实体。

步骤五：将导入的实体进行网格划分，表面网格要进行多次的细化，如图4所示，获得可供分析的有限元模型，其中，Cu基粉末冶金的弹性模量为2.08e8，泊松比为0.3。对ANSYS生成的实体进行预应力接触分析如（图5）所示，建立刚性平面，提前给出偏置，，通过将平面中最高点的位移坐标作为刚性平面的位置坐标，将其作固定约束，指定Cu基粉末冶金和刚性平面为一组接触对。

步骤六：对ANSYS有限元模型进行预应力接触分析，对粉末冶金底面施加1GPa的法向（z方向）载荷（如图5）。Cu基粉末冶金摩擦表面ANSYS正应力接触分析结果示意图如图6所示，由于表面形貌的影响，接触应力存在着复杂的变化趋势，即使施加1GPa的名义载荷，实际的局部von misses应力已经超过了20GPa。

步骤七：通过控制接触分析结果的应力阀值范围，在接触表面的von misses应力分布云图上划分出阀值范围内的区域，以此获得不同阀值范围的接触特性的情况，如将阀值范围定义为10GPa，在该阀值下表示了摩擦片与对偶片之间的接触状态已经造成了油膜的破裂，形成了一种固固接触状态，如果将阀值范围定义为1GPa，体现了一种固液接触状态，形成了一种流体润滑状态，通过控制阀值，实现对于不同接触状态下的接触特性的判定。

步骤八：将图像进行二值化处理，通过像素分析，可以获得不同颜色区域占整个区域的面积的比例，若需要改变接触状态，可以将阀值范围限定到其他的值，并且在改变后的阀值范围内，进行区域的划分与二值化处理，计算出特定颜色下的轮廓所占的面积。在本实例中通过制定标尺，可以将大于10GPa区域进行阀值处理并进行二值化强调显示（如图7），这种接触压力下边界膜基本破裂，是固固接触状态，通过像素分析，可以获得深色区域所占整个区域的面积的比例(如图7所示)，真实固固接触区域约为占总体区域的6%。若需要确定边界接触区域，可以将标尺范围限定到1GPa，再通过图像阀值分析，获得吸附膜接触区域约占名义区域的26%(若排除固固接触则为20%）如图8所示。从而精确地获得该接触状态下的接触表面之间的接触面积。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于形貌特征的微接触特性与图像阀值处理方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤一：使用镭射显微镜将需要研究的样本表面进行表面成像，通过计算机获取该样本表面的微形貌特征；

步骤二：设置采样的点阵密度，通过计算机输出描述表面轮廓特征的点阵数据；

步骤三：针对点阵数据，通过去除错误点、插值处理后，读入Matlab分析处理，获得插值后表面形貌的图像；

步骤四：将MATLAB拟合的曲面导入ANSYS进行接触分析，在ANSYS中通过MODEL操作将曲面封闭为实体，建立封闭实体；

步骤五：将导入的实体进行网格划分，表面网格要进行多次的细化，获得可供分析的有限元模型；

步骤六：对ANSYS有限元模型进行预应力接触分析，获得接触表面的预应力分布图像；

步骤七：在获得的预应力分布图像上，通过控制接触分析结果的应力阀值范围，获得不同阀值范围的接触应力的情况，实现对于不同接触状态下的接触特性的判定；

步骤八：将图像进行二值化处理，把不同应力阀值范围的区域标示成不同的颜色，通过计算出不同颜色下的轮廓所占的面积，精确地获得该接触状态下的接触表面之间的接触面积。

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