CN105518443A - 用于表征一种由编织复合材料制成的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表征一个由编织复合材料制成的部件的方法，其中所述方法包括对于用作自相关间隔的多个空间向量，计算(200)在观察窗中该部件体积的三维图像的自相关值，随后在该主要编织定向上检测(400，410)该自相关值中的至少一个局部极值，从而在观察窗中确定相邻平行纱线之间的平均距离。X射线断层扫描优选地用于使该材料成像。

Description

用于表征一种由编织复合材料制成的部件的方法
技术背景
本发明涉及表征材料和结构的领域，特别地由具有编织纤维加固物的复合材料制成的机械工程行业的部件。由于与由其他材料制成的部件相比的其坚固性及其低重量，这种部件越来越多地用于航空领域。这些部件也很容易制造。在所涉及的部件中，特别地涉及发动机部件，包括燃气轮机的叶片或壳体。由于这种部件的特定结构，其中纤维加固物嵌入在基质中，需要在工业生产过程中的任何时候、或在所讨论部件正在使用时能够检测该编织纤维加固物的特性。这使得可以发现该部件中的疲劳或磨损水平并识别缺陷或损坏，如果有的话。自然地，由于编织加固物嵌入在该基质中，很难接近它，并且已知方法通常是破坏性的，其在大量生产和使用这种部件的背景下是不令人满意的。因此，期望具有非破坏性的表征该纤维加固物的方法。
X射线断层扫描(由计算机计算的轴向断层扫描或CT扫描)是一种对物品内侧实施非破坏性检测的已知方法。它包括在多个平面上作用以测量由该材料施加到X射线束的衰减。然后从在每个平面中拾取的数据重建三维图像。之后，可以制作三维图像分段，从而使该材料的结构在每个剖面中可视化。
当被施加到具有编织加固物的复合材料时，一种如上所述的方法很不实际或会产生很少令人满意的结果。该编织加固物包括一种大尺寸的物品，其具有许多彼此平行的经纱线和同样彼此平行的纬纱线，这两组平行纱线限定该编织的主要定向或特性方向。经纱线列之间的平均距离以及纬纱列之间的平均距离(经纱线之间的距离以及纬纱之间的距离，或经线间的距离和纬线间的距离)构成适用于在该编织均匀的区域中正确地表征该加固物的信息。然而基于三维图像的二维分段或基于多个这种分段确定这种信息涉及很单调乏味以及难以实现自动化的工作。为了很好地实施，需要识别纬纱层和经纱层并由此推断其各自的间距。任何这种测量涉及操作者方面的主观性，并且可被图像中的各种噪声干扰。此外，根据所研究的该部件的形状，被研究的分段很难识别，并且也需要研究多个分段以获得可靠的结果。使这种过程工业化因此不容易，或者甚至不可能实施。
发明内容及优点
为了解决该困难并提出一种很容易自动化并且提供可靠结果的非破坏性的方法，提供了一种表征一个由编织复合材料制成的部件的方法，该方法包括对于用作自相关间隔的多个空间向量，计算在观察窗中采集的该部件体积的三维图像的自相关值，然后在编织的主要定向(特性方向)上检测该自相关值中的至少一个局部极值，从而在观察窗中确定对于相邻平行纱线之间的距离的平均值。
自相关的一个特性是用于获得唯一全局最大值，该值被获得用于零向量。对于与该编织的特性方向平行的向量，其也具有在与所讨论特性方向平行的向量空间中沿直线彼此跟随的局部最大值。这些最大值可以在向量空间分段中以叶瓣形式被可视化。通过检测这些局部最大值的至少一个(或在两个连续最大值之间的最小值)，可通过参考从其到该零向量的距离来获得在相邻平行纱线之间的多个距离。如果已经检测到了与该零向量最接近的局部最大值，那么这直接接近在相邻平行纱线之间的距离。
通过利用自相关，该方法消除了当操作员直观地读取该部件体积的图像时所产生的主观性。因此，该方法更准确且更可靠。这就是为什么该方法也不对噪声很敏感的原因。可以通过利用该部件体积图像的三维空间以非破坏性方式测量贯穿该部件的经纱线间和纬纱间的距离，而人类操作员通常在该体积图像的二维分段上操作。最后，它可被自动化，并且因此比依靠于通过人类操作员读取的方法更快。总之，它比不使用自相关的技术更准确和更容易实现。
需要指出的是，该方法适用于通过X射线断层扫描或通过使该部件的体积成像的任何其他技术所采集的图像。特别地，不应忘记的是，X射线并不是必要的，其他断层扫描方法是已知的，特别地核磁共振(NMR)断层扫描。
在一个非常有利的实施方式中，通过使用Wiener-Khinchin定理计算该自相关值，即通过使用由直接和逆傅里叶变换以及复数的模量函数组成的数学函数，并将其应用到所研究的复合材料部件的三维图像。这是一种很简单、适用于自动化，以及连续和详尽地计算所有自相关函数的过程，从而可以对在被称为“自相关”图像的三维“图像”中组合在一起的自相关值实施高质量研究。
在一个特定实施方式中，该方法包括检测在多个向量中，例如在自相关图像中该编织的特性方向。这涉及识别与经纱线或纬纱线方向对应的局部和全局最大值的对准。
在一个与先前的实施方式可选地组合的实施方式中，该方法包括预先重新对准该复合材料部件的三维图像，以使该编织轴线(特性方向)与该图像的轴线对准。
为了完全地表征该部件，该方法可自然地提供用于检测该纬纱线方向和该经纱线方向的极值，从而在观察窗中确定分别对于在相邻经纱线之间和在相邻纬纱之间距离的平均值。然而，可在仅注意纬纱或仅注意经纱线的同时实施该方法。
需要指出的是，在一个很容易实施的实施方式中，所使用的极值为最大值并且可特别地关注连续的极值。所使用的极值通常包括被获得用于零向量的全局最大值，但也可以通过研究两个连续的局部极值而省略。
特别提出了该方法用于研究一种由三维编织复合材料制成的部件和/或包含在碳基质中的碳纤维的部件。例如，该部件可以是航空发动机的叶片或外壳。
尽管本发明集中在分析该图像上，本发明还提供了一种涉及不仅利用该图像也采集它的方法。
以下参考附图进行该描述。
附图列表
图1是在具有编织纤维加固物的复合材料部件中使用的三维编织的示意图。
图2是示出本发明一个实施方式的流程图。
图3是一个由复合材料制成的部件的三维图像的三维自相关图像(一种复合材料部件的三维图像的自相关图像)的分段的表面透视图。
图4和图5是在图1实施方式的最后步骤中获得的曲线。
图6是示出本发明第二实施方式的流程图。
本发明实施方式的详细描述
本发明适用于由具有编织纤维加固物的复合材料制成的部件，在整个部件中使用给定的编织图案进行该编织，或可能使用多个编织图案，该图案由过渡区域分隔。该编织可以是二维编织或三维编织，然后在涉及该部件的机械强度方面具有明显优点。一种三维编织图案如图1所示。纬纱线间的距离在其中被标记为A，以及经纱线间的距离被标记为B。
不管其是否为二维或三维，该编织基于使经纱线和纬纱线交错，彼此平行的经纱线横跨同样彼此平行的纬纱。对于给定的编织图案，在两个过渡区域之间，在两个相邻经纱线之间的距离基本恒定，并且两个相邻纬纱线之间的距离同样基本恒定。连同其它项几何信息一起，这两个距离表征该编织图案以及也表征部件的疲劳或磨损状态。
以下是参考图2给出并应用到这种复合材料部件的本发明一个实施方式的描述，如一种由包括在碳基质中碳纤维的复合材料制成的部件。
在步骤100中，一种图像由通过X射线断层扫描的部件构成。应该记住的是，X射线断层扫描包括测量在物品的不同分段平面中穿过该物品的X射线束的衰减。之后，可在一组突起上使用计算机处理以重建该部件内侧的三维图像。该图像可能被过滤，以减弱采集的伪像，并且使得被分配到三维图像的每个体素的灰度(强度)与在所讨论点该部件材料的密度成正比。
一旦已经获得该图像，选择一个包括该部件区域的分析窗口(或观察窗)是适当的，对于该区域期望发现疲劳状态或特性，以及其中该编织图案恒定(换句话说，其中编织均匀)。
在步骤200中，然后进行三维图像的自相关，其局限于所选择的观察窗。应该记住的是，信号的自相关(无论该信号是否基于具有一个或多个尺寸的一组，以及其是否是离散或连续的)是该信号本身的交叉相关，并且，当该信号具有一个时，该自相关可以检测在该信号中重复的规律、轮廓，或该信号的基频。
在数学上，信号x的自相关C书写如下：
C x ( h ) = Σ n = 0 N ( x n - m ) - ( x n - h - m )
其中m是该信号x在所考虑窗口上的平均值。对于在一个离散组上的函数，在x的元素的数量N上求和，并且当该函数在连续组上时，由积分代替该和。
在开始设定该信号时，对于能够由被称为自相关间隔(或自相关间隔向量)的该值h所采取的所有值计算该函数。
应该记住的是，函数C具有对于h＝0的全局最大值，无论该信号x如何。也已知的是，如果x是周期性的，那么C也是周期性的，该周期与x相同。
在本发明中，对于该三维图像的大量向量h，尽可能大地计算C的值。这通过利用Wiener-Khinchin定理的教导详尽地实施，该定理规定了平稳随机过程的自相关函数具有一个通过其光谱功率密度给出的光谱分解。因此，函数C可计算如下：
Cx＝FT-1[|FT(x)|2]
其中，FT是傅里叶变换并且FT-1是逆傅里叶变换。
通过将该公式应用到观察窗中的三维图像，在很短的计算时间，可以获得通过对于包含在该图像中的所有向量的自相关函数所采取的该组值。该组被称为(3D)自相关图像，由于它可以被视为一个图像，每个向量h由点x、y、z表示并且与强度C相关，其例如可以通过亮度或颜色形式显示。该自相关的图像具有多个叶瓣，如在图3中可以看出的，其为一种复合材料部件的三维图像的三维自相关图像的分段的表面透视图，在一个穿过该图像中心的平面上取得该分段。
由于在观察窗中的编织图案是周期性的，该自相关具有能被探测到的局部最大值，从而测量该编织图案的周期。这意味着最初从自相关值提取该编织加固物的这两个特性方向。这在步骤300和310中完成。它包括在自相关图像中检测局部最大值的对准，同时在该图像的每个叶瓣中注意寻找这些对准。一个对准必须穿过点h＝0。
一旦已经识别了该编织加固物的特性方向，通过测量在连续两个最大值之间，并且更精确地在点h＝0和在先前步骤中识别的特性方向中的点之后第一局部最大值之间的距离|h|(向量h的范数)，该方法对于这两个方向的每一个以及彼此独立地继续。
在图2中通过标记400和410表示的该新步骤在图4和图5中示出，其为在对应于特性方向的直线上沿横坐标轴绘制坐标的值h以及在纵轴上的自相关图像中绘制相应点的自相关值(在该示例中被归一化)的曲线(一维轮廓)。
在两个连续最大值之间的值|h|然后构成在特性方向中纱线间的距离，其为纬纱线方向或经纱线方向。图4示出了测量纬纱线之间的距离以及图5示出了测量经纱线之间的距离。
可以通过使该自相关结果与初始图像和该部件相关来区分纬线和经线方向。
例如，如果期望测量沿z轴定位的纬列的间隔，那么需要沿自相关图像中的z轴查看，以能够测量该间距。一旦被测量，该距离与预期值比较，以表征该部件并检测异常，如果有的话。
图6显示了该方法的一种变型。在如图2所示的实施方式中，它包括通过采集该图像并限定观察窗的步骤101的开始。
如在该图像中观察到的，随后是使该部件的三维图像轴线与编织加固物的轴线重新对准的步骤110。这可以考虑在编织中部件之间的可变性，以及在成像过程中图像采集之间的可变性。
此后，在步骤201中实施图像自相关。如果该重新对准具有足够好的质量，那么可以在被识别为图像方向的两个特性方向中直接地测量纱线间的距离。
还可以使重新对准参考图6所述的图像与提取参考图2所述的自相关图像的特性方向结合。
通过使该观察窗适用于一个编织图案恒定的区域，然后通过在邻近区域重新开始，可用任何形状的部件实施本发明。该观察窗的尺寸可能很小，从而仅覆盖编织均匀的区域。最小限制尺寸自然地由纱线间的距离所规定。
本发明并不局限于一个特定实施方式，但延伸到在该权利要求范围的背景下的变型。

Claims (9)

1.一种表征由编织复合材料制成的部件的方法，该方法包括对于用作自相关间隔的多个空间向量，计算(200；201)在观察窗中该部件体积的三维图像的自相关值，然后在该编织的主要定向上检测(400，410，401，411)该自相关值中的至少一个局部极值，从而确定在观察窗中对于相邻平行纱线之间的距离的平均值。
2.根据权利要求1所述的表征方法，其中，通过使用Wiener-Khinchin定理计算(200；201)自相关值。
3.根据权利要求1或2所述的表征方法，包括在多个向量中检测(300、310)主要编织定向。
4.根据权利要求1到3中任一所述的表征方法，包括重新对准(110)该部件的图像，以使该编织的主要定向与该图像的轴线对准。
5.根据权利要求1到4中任一所述的表征方法，其中，检测(400、410；401、411)至少一个局部极值用于纬纱线方向以及用于经纱线方向，从而确定在观察窗中分别地在相邻纬纱线之间以及在相邻经纱线之间的距离的平均值。
6.根据权利要求1到5中任一所述的表征方法，其中，该部件由三维编织复合材料制成。
7.根据权利要求1到6中任一所述的表征方法，其中，该部件包括在碳基质中的碳纤维。
8.根据权利要求1到7中任一所述的表征方法，其中，该图像为X射线断层扫描图像。
9.根据权利要求1到8中任一所述的表征方法，包括通过使用断层扫描设备采集图像的步骤。
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