CN110235179B - 确定由复合材料制成的部件中纤维单元取向的方法和设备 - Google Patents

Abstract

根据本发明的方法包括：‑获得(E10)由复合材料制成的部件的图像，该图像的每个像素表示该部件的由该像素表示的一点处的材料密度；‑针对该部件的至少一个纤维单元从图像中提取(E30)沿该单元的长度表示该单元的线；‑对于每条所提取的线：‑在多个参考点处在宽度上遵照纤维单元的宽度对该线进行扩展(E50)，该扩展对于每个参考点导致多个经扩展的点；‑将一取向与关联于一参考点的每个经扩展的点进行关联(E60)，该取向平行于线在该参考点处的方向；‑针对多个经扩展的点来评估(E70)纤维单元在这些点处的平均取向；以及‑针对多个取向来确定(E100)具有来自所评估的平均取向之中的那些取向的单元的比例。

Description

确定由复合材料制成的部件中纤维单元取向的方法和设备

技术领域

本发明涉及复合材料的一般领域。其更具体地涉及检测由复合材料制成的部件。

背景技术

所述复合材料举例而言诸如，从单向的且随机缠结的预浸渍纤维“碎片(chip)”(例如，由玻璃、碳或其他纤维制成)制造的不连续长纤维(DLF)或不连续复合纤维(DCF)材料。复合材料的树脂，有时也被称为其“基质”，可以是热固性或热塑性的。

此类复合材料尤其良好地适于制作尤其在航空工业或在许多其他机械工业中所使用的种类的复杂形状部件(例如，包括肋或凸起)。这些部件以已知的方式被从预制件制造，这些预制件被从由缠结的纤维碎片制成的材料片材切出，并接着在模具中被组装且经受一套热压缩。碎片也可以被热注入到模具中。

此类复合材料的性能直接取决于纤维碎片的缠结，并且由于复合材料在碎片规模的微结构(几何构造)的随机性质而经受固有变异性的影响。缠结在很大程度上取决于制造部件的方法，这可能在热压缩期间引起材料的蠕变(即，变形)。因此，可能发生部件被观察到具有与对测试件进行测试期间观察到的行为不同的机械行为，因为纤维碎片被不同地定向。

由于纤维碎片、复合材料以及尤其是DLF材料的缠结的随机性质，因而存在难以预测的行为，这约束了此类材料的用户通过测试来从事认证其部件的操作。认证活动尤其冗长且昂贵。另外，很难通过比较来继续以便验证其他设计，即使是当非常靠近所测试的部件时。并且即使取得了认证，对于由DLF材料制成的部件的制造商而言，在将其交付之前需要展示每个所制造的部件的能力并非不常见。

因此，存在对下述方法的需求：使得表征由复合材料制成的部件的微结构以便处于专门用于预测其性能的位置上，并且以不呈现上面提到的缺点的方式来这么做成为可能。

发明内容

本发明尤其通过提出一种确定被组装在由复合材料制成的部件中的纤维单元的取向的方法来满足这种需求，该纤维单元具有由长度、宽度和厚度来表征的初始形状，该方法包括：

-获得该部件的图像的获得步骤，该图像的每个像素表示该部件的由该像素在图像中表示的点处的材料密度；

-针对该部件的至少一个纤维单元来从图像中提取沿着该纤维单元在该部件中的长度的全部或部分来表示该纤维单元的线的提取步骤；

-对于从图像中提取的每一条线：

-在所述线的多个“参考”点处在宽度上遵照所述线代表的纤维单元的宽度来对所述线进行扩展的扩展步骤，对于每个参考点，所述扩展导致了与该参考点相关联的多个“经扩展”的点；以及

-将一取向与关联于一参考点的每个经扩展的点进行关联的关联步骤，该取向平行于线在该参考点处的方向；

-针对多个经扩展的点来从与这些经扩展的点相关联的取向中评估纤维单元在这些点处的平均取向的评估步骤；以及

-针对纤维单元的多个取向来确定具有来自以这种方式评估的平均取向的这些取向的纤维单元的比例的确定步骤。

相应地，本发明还提供了一种用于确定被组装在由复合材料制成的部件中的纤维单元的取向的确定设备，该纤维单元具有由长度、宽度和厚度来表征的初始形状，该设备包括：

-适用于获得该部件的图像的获得模块，该图像的每个像素表示该部件的由该像素在图像中表示的点处的材料密度；

-被配置成针对该部件的至少一个纤维单元来从图像中提取在该纤维单元在该部件中的长度的全部或部分之上表示该纤维单元的线的提取模块；

-被配置成在提取自图像的每条线的多个“参考”点处在宽度上遵照所述线代表的纤维单元的宽度来对所述线进行扩展的扩展模块，对于每个参考点，所述扩展导致了与该参考点相关联的多个“经扩展”的点；

-被配置成将一取向与关联于提取自图像的线的参考点的每个经扩展的点进行关联的关联模块，该取向平行于线在该参考点处的方向；

-被配置成针对多个经扩展的点来从与这些经扩展的点相关联的取向中评估纤维单元在这些点处的平均取向的评估模块；以及

-被配置成针对纤维单元的多个取向来确定具有它们的来自以这种方式评估的平均取向的取向的纤维单元的比例的确定模块。

本发明因而提出通过确定随机缠结在材料中的纤维单元的取向来表征由复合材料制成的部件的微结构(例如，碎片或者更一般而言纤维单元，例如呈现由长度、宽度和厚度表征的长方体形式的初始形状)，以及确定具有相同取向的缠结的单元的部分。纤维单元在复合材料中的取向是微结构参数，其以已知的方式尤其对复合材料的机械属性具有重大影响。

根据本发明，这种取向例如基于表示真实机械部件(诸如航空部件)的图像来针对该部件被确定。作为示例，这样的图像是三维断层图像或二维X射线图像，其中每个像素(对于三维图像而言，也被称为“体素”)表示在部件的与该像素相对应的点处的材料密度。该类型的图像具有提供关于部件内部非常精细且可被直接使用的信息的优点。这因而使得仅仅通过如由本发明提出的简单处理来提取关于碎片在部件内的取向的信息成为可能。

在第一阶段，这种简单的处理包括“镂空(skeletonize)”图像以使其更易于使用，其中镂空包括为每个碎片仅保留纵向地表示该碎片的指向线。该线是取决于所考虑的图像的二维或三维形式的曲线，并且其有利地构成碎片的最简数学表示。然后从所获得的各条线分析诸碎片的取向，例如，借助于限定(例如长方体或某种其他形状的)子体积或子区域并且在图像中所示部件的全部或部分体积或区域上移动的移动盒。更具体而言，在每个子体积或子区域中，线在给定方向上的长度被整合，同时在被称为用于对线进行扩展的扩展步骤的步骤期间将纤维碎片在每个其他方向上的尺寸纳入考虑。

作为解说，对于二维图像(例如，X射线图像)，扩展被限于在多个参考点处在宽度上对线进行扩展，并且遵照纤维单元的由该线表示的宽度来这么做。对于三维形式的图像(例如，断层图像)，扩展包括在多个参考点处在宽度上遵照由线表示的纤维单元的宽度来对该线进行扩展，以及在多个参考点处在厚度上遵照由该线表示的纤维单元的厚度来对该线进行扩展。

本发明中所执行的扩展步骤用于在体积或区域或由盒子限定的子体积或子区域中人工地再建纤维碎片的形状，并且在多个“经扩展”的点处将一取向与其进行关联。然后，足以估计纤维碎片在每个三维方向上的比例，以便确定纤维碎片局部地在子体积内的三维分布，该知识可以随后通过考虑该部件的其他子体积或子区域来被扩展到整个部件。

部件中碎片的取向的知识使得有利地馈送对部件的微结构进行建模的数字模型(例如，类似于文献WO 2015/185840中所描述的数字模型)成为可能。馈送有从部件本身提取的实际数据(连同平均统计量)的这样的数字模型以真实方式表示该部件，并且使得在该部件的所有点处以可靠的方式有利地预测部件的机械属性(例如，刚度、故障属性等)成为可能。借助于该模型，真实部件可以在无损检测期间被验证，而不需要对部件执行如在当前是必需的机械测试。以已知的方式，术语“无损检测”被用来指定能够使得结构(部件)或材料的完整性状态和/或质量得以表征而不使它们劣化的那些方法。

无损检测的优选但非限制性应用在于航空领域，并且更一般地在其中对于期望来表征其状态或其质量的结构而言，结构本身是昂贵的和/或其中结构在操作中的可靠性至关重要的任何领域。无损检测可以有利地在所考虑的部件正被制造时以及还有在其处于使用中或在维护期间对该部件执行。本发明因而以优选但非限制性的方式应用于航空部件，并且更具体地应用于由DLF(或DFC)型复合材料制成的航空部件。它还可以被应用于其他类型的复合材料，诸如举例而言，块状模塑料(BMC)材料或片状模塑料(SMS)材料。应该观察到，这两种类型的材料通常被用于制作大尺寸部件，这些大尺寸部件具有与这些部件的其他维度相比较小的厚度。对于此类部件，使用断层扫描是不合适的；为了实现本发明，于是优选的是使用这种部件的二维X射线型图像，从而使得获得该部件的区域取向图成为可能。

通过确定部件中的纤维碎片的取向，本发明还使得容易地检测可能存在于一个部件与另一部件之间的碎片的分布中的任何变异性，和/或相对于“标称”的取向(即，参考取向)来进行检测成为可能。这种变异性尤其归因于制造部件的方法：具体而言因各部件而异地，碎片变得以非确定性方式被个体地定位，使得可以在碎片的分布中观察到小的变化(关于取向或甚至缠结)。给定部件中纤维碎片的取向的知识允许将它们与在部件设计期间所确定的标称取向进行比较。

因而，本发明使得通过使用借助于本发明所确定的纤维碎片的体积来容易地验证和确保制造部件的方法可重复成为可能，从而确保每个部件具有与那些纤维碎片类似的分布(自然地在给定的容忍阈值内)。这确保了通过所考虑的制造方法获得的每个部件保持接近预定标称性能的性能。

在一具体实现中：

-被组装在部件中的部分或全部纤维单元携带沿纤维单元的长度的标记；

-提取步骤包括使用基于标记材料的密度定义的阈值对图像进行阈值处理，该阈值处理导致表示标记的图像；以及

-各条线被提取自由阈值处理产生的图像中所表示的标记。

该实现使得更容易提取代表纤维碎片的线成为可能，因为它直接依赖于存在于某些纤维碎片上的标记。应该观察到，并非所有纤维碎片都必需携带此类标记。自然地，在该实现中确定取向的可靠性取决于存在于部件中的标记的数量以及它们是如何分布在部件内的。部件中的标记分布得越均匀和/或标记的数量越多，本发明所估计的取向的可靠性就越好。

在另一实现中，尤其当纤维单元/碎片不具有此类标记时适用的，提取步骤包括为部件的每个纤维单元确定边界，代表纤维单元的线是从以这种方式确定的边界提取的。

本发明易于在纤维单元上不存在标记的情况下应用。

在一具体实现中，至少扩展步骤和关联步骤通过使用移动盒来执行，该移动盒限定在部件的全部或部分上移动的预定尺寸的子体积或子区域。

如上面所提到的，借助于移动盒，使得遍及整个部件进行扫描并且估计纤维单元在整个部件上的取向成为可能。所考虑的盒以及由该盒限定的子体积或子区域(例如，长方体或矩形)的尺寸，以及移动盒在部件上的两次移动之间的交叠取决于若干因素。因而，限定过于小的子体积或子区域会冒无法观察到具有足够代表性的材料样本的风险，而过于大的子体积或子区域可能无法标识各向异性的区域。

在一特定实现中，纤维单元的取向和具有那些平均取向的纤维单元的比例被储存在取向张量中。

以已知的方式，这种取向张量依赖于具有三行和三列的矩阵，其中特征向量表示部件中的纤维单元的主取向方向，而特征值定义部件中具有这些方向的纤维单元的比例。这种取向张量使得部件中的纤维单元的取向能够借助于三维椭球或二维椭圆以图形方式来被表示，所述三维椭球或二维椭圆具有由张量的特征向量定义的方向轴，并且具有由特征值定义的长度。

在一变体中，可以设想在平面面板中的采取图的形式的表示。

在一特定实施例中，确定方法的各个步骤由计算机程序指令确定。

因此，本发明还提供了一种数据介质上的计算机程序，该程序适用于在确定设备中执行或更一般地在计算机中执行，该程序包括被适配成执行如以上所描述的确定方法的各步骤的指令。

该程序可以使用任何编程语言，并且可以采取源代码、目标代码、或源代码和目标代码之间的中间代码的形式，诸如部分编译的形式或任何其他所需的形式。

本发明还提供一种包括如上面提到的计算机程序的指令的计算机可读数据介质。

该数据介质可以是能够存储程序的任何实体或设备。例如，介质可以包括存储装置，诸如只读存储器(ROM)(例如，紧致盘(CD)ROM、或微电子电路ROM)或者实际上是磁记录装置(例如，硬盘)。

此外，数据介质可以是适于经由电缆或光缆、通过无线电装置、或通过其他装置来传递的可传输介质，如电或光信号。本发明的程序可尤其从因特网类型的网络下载。

替代地，数据介质可以是其中包括该程序的集成电路，该电路被适配成执行所述方法或在所述方法的执行中使用。

在另一方面，本发明提供一种应用于复合材料部件的无损检测方法，该复合材料包括纤维单元的总成，该检测方法包括：

-使用数字成像系统来采集该部件的图像的采集步骤，该图像的每个像素表示该部件的由该像素在图像中表示的点处的材料密度；

-通过执行本发明的确定方法来确定部件的纤维单元的取向的确定步骤；以及

-使用以这种方式确定的取向的对部件执行的无损检测步骤。

相应地，本发明还提供一种供在检测复合材料部件时使用的无损检测系统，该复合材料部件包括纤维单元的总成，该检测系统包括：

-被配置成采集该部件的图像的数字成像系统，该图像的每个像素表示该部件的由该像素在图像中表示的点处的材料密度；

-用于确定本发明的部件的纤维单元的取向的确定设备；以及

-用于检测部件并且被配置成使用以这种方式确定的取向的检测设备。

优选地，该部件是航空部件。

该检测方法和系统受益于与本发明的确定方法和设备相同的优点，如上面提到的。

在其他实现和实施例中，还可以设想本发明的确定方法和设备以及无损检测方法和系统组合地呈现出上面提到的特性中的全部或一些特性。

附图说明

本发明的其他特性和优点从以下参考附图的描述中显现，附图示出了没有限制性特征的实施例。附图中：

-图1示出了在一特定实施例中的根据本发明的无损检测系统；

-图2示出了形成图1的无损检测系统的一部分的本发明的确定设备的硬件架构；

-图3示出了在一特定实现中由图2的确定设备执行的本发明的确定方法的主要步骤；

-图4A-4E示出了在一特定实现中由图2的确定设备使用的各种处理和图像；

-图5A-5D示出了在一特定实现中由图2的确定设备执行的各种处理；以及

-图6示出了在一特定实现中由图1的系统执行的本发明的无损检测方法的主要步骤。

具体实施方式

图1示出了处于用来检测由复合材料制成的部件的目的的环境中的无损检测系统1(或即NDI系统1)。

在图1所示的示例中，该部件是航空部件2，诸如举例而言，由复合材料制成的涡轮发动机叶片。然而，不存在与要经受NDI系统1所作的无损检测的所考虑部件的性质相关联的限制。其可以是任何其他类型的航空部件，或者更一般地，例如期望对其检测合规性的任何其他类型的机械部件。

在当前设想的示例中，航空部件2由DFC型复合材料制成，换言之，具有不连续的长纤维并且使用预浸渍有热固性树脂(基质)的随机缠结的纤维的“碎片”来被制造。作为示例，碎片是浸渍有碳树脂并且呈现基本上由长度L、宽度λ和厚度e限定的长方体的形式的初始形状(即，在通过(例如在模具中)制造部件的方法而被变形之前的形状)的碳纤维碎片。作为示例，碎片的长度L位于10毫米(mm)至50mm的范围内，宽度λ约为10mm，并且碎片的厚度约为0.15mm。这些碎片构成本发明意义上的纤维单元。在下面的描述中，术语碎片、纤维碎片和纤维单元可以互换使用，以指定构成航空部件2的复合材料中随机缠结的碎片。

自然地，上述值纯粹是以解说的方式给出的。另外，本发明适于由预浸渍有树脂的纤维单元组成的其他复合材料，诸如举例而言，由浸渍有聚合物树脂的玻璃纤维碎片构成的材料、或由以随机方式或以准随机方式布置在空腔中的预浸渍碎片或线束组成的任何其他复合材料。本发明还适于具有不同于长方体的初始形状并且能够由长度L、宽度λ和厚度e来表征的纤维单元。

根据本发明，为了执行航空部件2的无损检测，NDI系统1依赖于确定部件中的缠结的碎片的取向。

在图1所示的实施例中，航空部件2中的每个缠结的碎片携带沿碎片的整个长度扩展的标记或示踪剂。作为示例，这样的标记是玻璃纤维束或纱线，其呈现出与被用于组成复合材料的碳纤维碎片的颜色不同的“颜色”(或呈现不同的吸收水平)，并且以已知的方式被插在碎片中。专利申请WO 2016/028349描述了在由复合材料制成的部件中插入和使用此类标记的示例。

在一变体中，航空部件2中仅一些缠结的碎片携带此类标记。优选地，确保至少70％的纤维碎片在航空部件2中被提供有标记，在整个部件中以平衡的方式分布(即，以便避免使标记集中在部件中的一个位置上)。然而，本发明可以用较低浓度的标记来执行；在此类境况下，由本发明确定的取向可以与表示部件中存在的标记的比例以及它们如何分布的置信指数相关联。

根据本发明，为了执行航空部件2的无损检测，NDI系统1包括：

-数字成像系统3，其被配置成采集部件的图像。在图1所示的示例中，数字成像系统3是适用于提供航空部件2的三维断层图像IM的断层摄影系统，图像IM的每个三维像素(通常也被称为“体积像素”，简称“体素”)表示航空部件2中由该像素占据的点处的材料密度；

-根据本发明的确定设备4，用于确定部件2中的碎片的取向并且适用于使用由数字成像系统3采集的图像IM来达成这种目的；以及

-检测设备5，用于检测航空部件2并且被配置成利用由设备4确定的取向以便执行航空部件2的无损检测。作为示例，这种无损检测可以包括验证航空部件2是否符合预定标准，特别是为了使航空部件2能够被认证，或者其可以包括预测航空部件2的机械性能，等等。下面详细描述可以由检测设备5基于由本发明的设备4确定的取向执行的无损检测的示例。

在当前描述的实施例中，用于确定部件2中的碎片的取向的设备4是具有图2中图解地示出的硬件架构的计算机。

其尤其包括处理器6、存储器7-9(例如，ROM和/或硬盘7、随机存取存储器(RAM)8和非易失性存储器9)，以及通信装置10。通信装置10尤其包括一个或多个通信接口(例如，通用串行总线(USB)端口、网卡等)，这些通信接口使其能够首先与数字成像系统3或与操作员通信，以便获得如由数字成像系统3采集的航空部件2的断层图像IM，并且其次与检测设备5通信，以便向检测设备5传送其根据本发明已从图像IM确定了的碎片取向。

ROM和/或硬盘7构成根据本发明的可由确定设备4的处理器6读取并且储存计算机程序的存储介质，该存储介质包括用于执行本发明的取向确定方法的步骤的指令，下面参考图3在一特定实现中描述该方法的步骤。

计算机程序以等效方式定义确定设备4的功能模块(这些功能模块在该示例中是软件模块)，其适用于控制和/或利用上面提到的确定设备4的硬件装置7-10。在当前描述的实施例中，这些功能模块尤其包括：

-获得模块4A，其适用于获得由数字成像系统3采集的航空部件2的图像IM；

-提取模块4B，其被配置成针对该部件的至少一个碎片来从图像IM中提取在该碎片在该部件中的长度的全部或部分之上表示该碎片的线；

-扩展模块4C，其被配置成在该示例中在宽度和厚度上在提取自图像的每条线的多个“参考”点处对该线进行扩展，以便在某种程度上数字地重构由该线表示的碎片；

-关联模块4D，其被配置成将由对提取自图像的线进行扩展所得的每个“经扩展”的点与碎片在该点处的取向进行关联；

-评估模块4E，其被配置成针对多个经扩展的点评估碎片在这些经扩展的点处的平均取向；以及

-确定模块4F，其被配置成针对如以这种方式评估的多个平均取向确定具有该平均取向的经扩展的点的比例。

下面参考本发明的确定方法的步骤来更详细地描述这些模块的功能。

图3是示出一特定实现中的本发明的确定方法的主要步骤的流程图，其中该方法由图1的确定设备4基于由数字成像系统3采集的航空部件2的三维断层图像IM来执行。

借助于数字成像系统采集航空部件的断层图像本身是已知的，并且在此不再详细描述。

由数字成像系统3采集的航空部件2的断层图像IM由确定设备4获得，并且更具体地由其获得模块4A获得(步骤E10)。作为示例，其由数字成像系统3经由电信网络或由操作员(例如经由确定设备4的通信装置10)提供给确定设备4。

航空部件2的三维断层图像IM提供航空部件2中每个点处的材料密度的测量。更具体而言，由于图像IM 2是包括多个体素(即，三维中的点或像素)的灰度数字图像，因此图像IM的每个体素借助于其相关联的灰度级来表示由该体素表示的该部件的点处的材料密度。图4A和4B分别以图解的方式示出了涡轮发动机叶片(本发明意义上的航空部件2)和该部件的断层图像IM。

断层图像IM接着由估计设备4处理，以便建立航空部件2的微结构参数图，并且在该示例中更精确而言，部件2中的碎片的优选取向图。

在当前描述的实现中并且如上面提到的，航空部件2中的缠结的碎片借助于示踪剂来被标记，该示踪剂跟随碎片在其整个长度上的取向。该示例中的示踪剂(或标记)由玻璃纤维制成，换言之，由比构成碎片的碳纤维密度更大的材料制成，并且它们由确定设备4使用以便对图像IM执行阈值处理。具体而言，由于它们的密度大于碎片的密度，因此在图像IM中容易辨别(即检测到)它们。

因而，该示例中的确定设备4的提取模块4B借助于基于构成将在碎片上找到的示踪剂的材料(即，在该示例中，玻璃纤维)的密度定义的阈值THR来对图像IM中的灰度级执行阈值处理(例如，THR被取为等于玻璃纤维的密度)(步骤E20)。对灰度级编码的图像执行阈值处理是本身已知的操作，并且在此不再详细描述。对图像进行阈值处理包括根据所考虑的阈值(具体而言THR)逐个替换图像中像素的灰度级：作为示例，如果像素的灰度级大于阈值，则给出值255(白色)，而如果像素的灰度级低于阈值，则给出值0(黑色)。

该阈值处理产生黑白二值图像IMS，其仅示出示踪剂(且更具体而言，它们的方向，即它们的平均线(通常也被称为示踪剂的“中性纤维”))。图4C示出了通过从图4B的断层图像IM进行阈值处理而获得的二值图像IMS的提取。该提取表示航空部件2的子体积。

所得到的图像IMS接着由确定设备4简化，以使其可用于从中提取航空部件2的碎片的取向(步骤E30)。为此目的，确定设备4使用其提取模块4B来镂空图像IMS，并且具体而言是其中示出的示踪剂。镂空是一种被常规地用于形状分析的操作，并且是一种尤其在图像处理中公知的分析工具。其包括将形状缩减为一组曲线(被称为骨架)，这些曲线以原始形状为中心，并保留原始形状的拓扑属性。作为示例，已知的镂空技术是拓扑细化、提取距离图、模拟火焰前缘、或者实际上是(例如，依赖于Voronoi图的)分析计算技术的技术。这里没有更详细地描述它们。

由提取模块4B执行的镂空导致为每个示踪剂提取的“骨架”线，该线代表该示踪剂(示踪剂的中性纤维)。在该示例中，该线是以数学和简单的方式表示与碎片相关联的示踪剂的三维曲线。如由提取模块4B以这种方式提取的示踪剂的每条线因而也代表在航空部件2中与该示踪剂相关联的碎片(即碎片的中性纤维)，其中该关联沿着其整个长度扩展。

图4D示出了对图4C中所示的图像IMS执行的镂空操作的结果。

然后，由提取模块4B所提取的线形成的骨架随后由确定模块4处理，以便获得表征航空部件2的微结构所需的信息。

在当前描述的实现中，在该处理期间，确定设备4利用在航空部件2中定义预定尺寸的子体积的移动盒，并且其将该盒移动至部件2的全部或部分(步骤E40)。盒子在其移动期间占据的各个位置被写为POSn，n＝1,...,N，其中N是大于或等于1的整数。每个位置对应于航空部件的一不同的子体积。

在当前描述的实施例中，移动盒限定了采取长方体形状的子体积。该子体积的尺寸被选择为以便能够观察到航空部件2的有足够代表性的材料样本，同时还使得观察到材料中的各向异性区域(如果有的话)成为可能。大小被选择为足以包含对执行统计而言充足的示踪剂数目。应该观察到，置信指数可以与子体积中存在的示踪物的数量相关联，以便监视根据本发明所确定的取向的可靠性。子体积的尺寸还可以取决于期望获得的取向图的分辨率。

在当前描述的实现中，移动盒在断层图像IM中所示出的部件2的体积中四处移动(或者至少在部件2中的所有感兴趣的预定体积上移动)，以便覆盖部件2的整个体积(或整个感兴趣的体积)。在该示例中，移动移动盒，同时在移动盒中所包含的各体积之间的每次移动上提供交叠。交叠的尺寸是预定的：它们可以被默认地设置，或者相反，它们可以是可设置的参数。提供这种交叠使得避免丢失信息并且平滑所获得的信息成为可能。此外，在适用的情况下，选择将由移动盒扫描的感兴趣的有限体积可取决于若干因素，诸如举例而言，部件2的形状、该部件中对其结构强度、其行为至关重要的区域的存在或不存在，等等。

在另一实现中，可以设想另一形状的盒；此外，还可以设想在部件2的所考虑的感兴趣的体积中对移动盒进行移动，而在各个移动之间没有交叠。

对于从当盒处于位置POSn时由该盒定义的子体积中所包含的图像中提取的每条线，确定设备4使用其扩展模块4C在宽度方向和厚度方向上遵照碎片的尺寸(分别为宽度λ和厚度e)对每条线进行扩展(步骤E50)。在该示例中，该扩展在对应于图像的不同体素的线的多个“参考”点处被执行，并且其产生与每个参考点相关联的多个“经扩展”的点。

为了更清楚地解说该步骤，图5A示出了在(x,y)平面中表示航空部件2中的两个缠结的碎片(或两个碎片的一些部分)的两条线L1和L2，这两条线由提取模块4B提取。图5A中所示的网格定义了被包含在由处于其当前位置POSn上的移动盒限定的所考虑的子体积SS-VOL中的图像的体素。

在图5B中，线L1在沿线L1选择的多个“参考”点(例如，沿线L1规则分布的各点，线L1穿过的每个体素一个点)处被横向地扩展。在图5B中，出于简化的目的，仅少数沿着线L1选择的参考点由被引用为Pref1的十字示出。通过在参考点Pref1的任一侧上在与所考虑的参考点Pref1的每一者处与线L1的方向正交的线上，并且在基本上等于碎片的宽度λ的宽度上创建多个“经扩展”的点来执行在宽度上的这种扩展。应该观察到，因为图像被离散成各体素，所以线L1在所考虑的每个参考点Pref1处在体素宽度的倍数的宽度上被扩展。该倍数被以尽可能接近碎片宽度λ(之上或之下)的方式选择。在图5B所示的示例中，线L1在包括三个体素的宽度上被扩展。每个经扩展的点因而对应于子体积SS-VOL中的一不同的体素。图5B示出了由十字表示并且针对参考点PRef1获得的被引用为Pext1的经扩展的点的示例。

在线L1上选择的每个参考点处执行的扩展平行于线L1在该参考点处的方向，使得在宽度上的这种扩展创建具有基本上等于λ的宽度、大致以线L1为中心的一种条带(由于体素的离散性质并且取决于示踪剂的中性线L1相对于其穿过的体素的质心被找到的位置，条带可能并没有精确地以线L1为中心)，并且在线L1的所有参考点处，这种条带遵循线L1的方向(即，取向)。

在该示例中，扩展模块4C沿着碎片的厚度e(图5B中未示出)执行相同的操作。

此后，关联模块4D将关联于线L1的参考点Pref1的每个所得到的经扩展的点Pext1与在该参考点Pref1处与线L1的方向(即，取向)平行的一取向进行关联(步骤E60)。以这种方式与从线L1导出的每个经扩展的点相关联的取向在图5B中用箭头来表示。

扩展模块4C和关联模块4D以相同的方式针对被包含在由位置POSn处的移动盒限定的子体积中的每条线进行，并且尤其针对线L2，如图5C所示。应该观察到，某些经扩展的点可以与对应于不同线的多个取向相关联。作为示例，这在图5C中适用于与两个箭头相关联的点，一个箭头表示线L1的取向，而另一箭头表示线L2的取向。

此后，确定设备4的评估模块4E针对所得到的经扩展的点的每一者确定碎片在这些点处的平均取向(步骤E70)。在该示例中，该平均取向通过对与模块4C和4D所处理的各条线的那些点相关联的取向进行平均而取得。图5D对每个经扩展的点使用不连续箭头来解说所得到的平均取向。在该附图中，应该观察到，当经扩展的点仅对应于一条线时，其平均取向同对该线而言与其相关联的取向相一致，其中平均在这种情况下仅对单项执行。

此后，确定设备4的确定模块4F针对每个所得到的平均取向来确定在由位置POSn上的移动盒限定的子体积中具有该平均取向的经扩展的点(在该示例中，体素)的比例(步骤E80)。对于每个平均取向，该比例等于具有该平均取向的经扩展的点的数目除以针对所考虑的子体积获得的经扩展的点的总数。

所得到的比例提供了对位于子体积中的在三维空间的对应于所得到的平均取向的每个方向上扩展的纤维单元的比例的指示。

此后，确定设备4将移动盒移动到另一位置POSn+1，以便在该示例中扫描遍及航空部件2的整个体积(对测试步骤E90回答“是”)，并且在由移动盒在其被定位在位置POSn+1上时新限定的子体积上重复迭代以上所描述的步骤E40到E80。

应该观察到，在另一实现中，仅步骤E50和E60使用移动盒来被执行，而其他步骤则通过聚合针对每个移动盒获得的信息对部件的整个体积执行。

当部件的整个体积已被扫描时(对测试步骤E90回答“否”)，确定设备4使用其确定模块4F来确定航空部件2中缠结的碎片的主取向，以及具有这些取向的碎片的比例(步骤E100)。为此目的，其聚合在步骤E80中针对由移动箱占据的各个位置POS1,...,POSN获得的信息，同时将移动箱的各次移动期间的交叠(如果有的话)纳入考虑(然后可以对所获得的因交叠而涉及到的比例进行平均，以便平滑所得到的值)。

在当前设想的实现中，各个位置没有对交叠作出规定，并且随后，对确定模块4F而言足以将针对由移动盒限定的每个子体积评估的平均取向，以及与这些各种平均取向相关联地确定的经扩展的点的比例纳入考虑(通常通过针对给定的平均取向对在每个子体积中获得的比例进行平均)。

确定模块4F从这些平均取向中提取航空部件2中的碎片的主取向及相关联的比例，并且在该示例中，其将主取向与具有这些主取向的碎片的比例相关联地储存在取向张量中(步骤E110)。以已知的方式，这样的取向张量以具有3×3尺寸的矩阵的形式提供取向在体积中的分布的描述。该矩阵的特征向量表示取向的主方向，而矩阵的特征值则表征具有这些方向的单元(在该示例中为碎片)的比例。这样的描述通过使用从特征向量(轴的方向)以及从特征值(轴的维度)确定的椭球轴而有利地用于提供对碎片在航空部件中的取向的图形表示。

根据该张量，还容易获得碎片遍及航空部件2的取向的取向图。图4E示出了图4A中所示的叶片的这种图。在该图中，深灰色表示纤维碎片的定向分布，而浅灰色表示纤维碎片的各向异性分布。

在当前描述的实现中，应该观察到标记或示踪剂由航空部件2中的一些或所有缠结的碎片携带。这些标记的存在有助于提取代表碎片的线，如从上面可以看到的。

然而，当碎片上不存在此类标记时本发明同样适用。在此类境况下，提取模块4B不对图像IM执行阈值处理(换言之，其不执行以上所描述的步骤E20和E30)，而是它使用任何上面提到的技术或者使用图像IM中的梯度来直接进行对图像IM的镂空，以便确定图像IM中所示的每个碎片的边界。应该观察到，这种镂空因碎片的边界通常比碎片的其余部分更富含树脂且因此密度与碎片内部相比不同的事实而变得更容易。在这种镂空结束时，限定碎片的封闭区域因而被获得。

此外，从限定碎片的这些封闭区域(边界)，提取模块4B提取“平均”线(占据如以这种方式定义的各区域的中心并且对应于每个区域的长方向的中性线，假设碎片在形状上不是方形)，该线代表每个碎片。此后，步骤E40至E110被应用于以这种方式从图像IM提取的线。

在当前描述的实现中，应该观察到，航空部件2的三维断层图像被使用，并且在宽度和厚度上执行符合碎片尺寸的扩展。

然而，如上面提到的，这样的三维断层图像并不总是适用于某些复合材料或适用于某些航空部件(通常当部件很薄且具有大尺寸时，诸如举例而言，封皮)。在此类境况下，在使用(例如，通过对部件进行X射线照射而获得的)部件的二维图像时，仍然可以应用本发明。另外，在步骤E50期间，可以仅在宽度方向上执行对代表从图像提取的纤维碎片的线的扩展，尤其是当碎片的厚度与它们的其他维度相比可忽略不计时。具体而言，对于上面提到的薄且具有大尺寸的部件，可以假设纤维碎片是平面的(即使它们在平面中的取向可以沿着平均线变化)。当纤维碎片本身很薄并且呈现舌状形状(即，非常薄并且在平面中呈现出相比一个维度更大的另一维度的碎片)或者是线类型(例如，对BMC材料而言)时，尤其很好地满足了这种假设。这种假设尤其适用于在最大和最小维度之间存在至少10到100的比率的纤维碎片。

如上面提到的，通过确定设备4以这种方式从断层图像IM确定的航空部件2的碎片的取向使得NDI系统1能够执行航空部件2的无损检测。

图6示出了在一特定实现中由图1中所示的NDI系统1执行的无损检测方法的主要步骤。

在该方法中，航空部件2的断层图像(例如，以上所描述的图像IM)由数字成像系统3采集(步骤F10)。如以上所描述，该图像IM是三维灰度编码的数字图像，其中该图像的每个体素表示航空部件2中由该体素表示的点处的材料密度。

该图像IM被提供给取向确定设备4。确定设备4根据上面参考图3至图5描述的确定方法来使用该图像IM确定构成航空部件2的材料中的缠结的碎片的取向。如以这种方式确定的取向被提供给检测设备5，例如，以取向张量的形式。

检测设备5通过使用以这种方式提供的取向来执行航空部件2的无损检测(步骤F30)。

这种检测可采取各种形式。

因而，如以这种方式确定的取向可以被输入到用于重构航空部件2的材料的微结构的表征单元体(REV)的数字模型，如文献WO 2015/185840中所描述。与一些平均统计量相比，馈送有根据本发明从部件2本身提取的真实取向数据的这样的数字模型提供了部件2的非常逼真的表示。当经受有限元分析时，该表示有利地用于以可靠的方式预测部件在其所有点处的机械属性(例如，刚度、故障属性)。借助于该模型，实际部件可因而在使用无损检测时被验证，这与目前在必要时对部件执行机械测试形成对比。

由检测设备5执行的另一种形式的无损检测可以包括对离开生产的部件的取向相比于由设计该部件所使用的标称取向(和标称变异性)的偏差进行估计。为此目的，检测设备5可以评估由确定设备4提供的(例如，用于所有部件或者用于由给定位置上的移动盒限定的每个子体积)取向张量和标称取向的张量之间的差异范数。这种类型的检测使得可以确保制造航空部件的方法是可重复的。

又一种形式的无损检测可以包括检测在制造部件期间可能出现的偏离，举例而言诸如，在碎片的取向中的异常局部分布、孔隙的出现、或关于金属夹杂的指示。

自然地，可以基于由本发明的确定设备4提供的取向来设想更多的检测。如本发明所提供的确定取向的技术是一种软件技术，其与基本上基于对部件执行机械测试的当前存在的检测技术相比导致了时间上的显著节省并且易于实现。这有助于降低关于所执行的检测的不确定性，由此最小化风险，同时减轻这种检测所需的结构。有利地，本发明还使得容易地证明制造部件的方法是可重复的成为可能。

Claims (12)

1.一种确定被组装在由复合材料制成的部件(2)中的纤维单元的取向的方法，所述纤维单元具有由长度、宽度和厚度来表征的初始形状，所述方法包括：

-获得所述部件的图像的获得步骤，所述图像的每个像素表示所述部件的由该像素在所述图像中表示的点处的材料密度；

-针对所述部件的至少一个纤维单元来从所述图像中提取沿着所述纤维单元在所述部件中的长度来表示所述纤维单元的线的提取步骤；

-对于从所述图像中提取的每一条线：

-在所述线的多个参考点处在宽度上遵照所述线代表的所述纤维单元的宽度来对所述线进行扩展的扩展步骤，对于每个参考点，所述扩展导致与该参考点相关联的多个经扩展的点；以及

-将一取向与关联于一参考点的每个经扩展的点进行关联的关联步骤，所述取向平行于所述线在该参考点处的方向；

-针对多个经扩展的点来从与所述经扩展的点相关联的取向中评估所述纤维单元在这些点处的平均取向的评估步骤；以及

-针对纤维单元的多个取向来确定具有来自以这种方式评估的所述平均取向的这些取向的纤维单元的比例的确定步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部件的图像是三维图像，并且所述扩展步骤进一步包括在所述多个参考点处在厚度上遵照所述线代表的所述纤维单元的厚度来对所述线进行扩展。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于：

-被组装在所述部件中的部分或全部的所述纤维单元携带沿所述纤维单元的长度的标记；

-所述提取步骤包括使用基于所述标记的材料的密度定义的阈值对所述图像进行阈值处理，所述阈值处理导致表示所述标记的图像；以及

-所述线是根据由所述阈值处理产生的所述图像中所表示的所述标记来被提取的。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述提取步骤包括确定所述部件的每个纤维单元的边界，代表所述纤维单元的所述线是从以这种方式确定的所述边界提取的。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，至少所述扩展步骤和所述关联步骤通过使用移动盒来被执行，所述移动盒限定在所述部件的全部或部分之上移动的预定义尺寸的子体积。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述纤维单元的取向和具有这些平均取向的纤维单元的比例被储存在取向张量中。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述部件的图像是断层图像。

8.一种储存计算机程序的计算机可读数据介质，所述计算机程序包括用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的确定方法的各步骤的指令。

9.一种应用于复合材料部件(2)的无损检测方法，所述复合材料包括纤维单元的总成，所述检测方法包括：

-使用数字成像系统(3)来采集所述部件的图像的采集步骤，所述图像的每个像素表示所述部件的由该像素在所述图像中表示的点处的材料密度；

-通过执行根据权利要求1至7中任一项所述的确定方法来确定所述部件的纤维单元的取向的确定步骤；以及

-使用以这种方式确定的所述取向对所述部件执行的无损检测步骤。

10.一种根据权利要求9所述的无损检测方法，其特征在于，所述部件是航空部件。

11.一种用于确定被组装在由复合材料制成的部件中的纤维单元的取向的确定设备(4)，所述纤维单元具有由长度、宽度和厚度来表征的初始形状，所述设备包括：

-适用于获得所述部件的图像的获得模块(4A)，所述图像的每个像素表示所述部件的由该像素在所述图像中表示的点处的材料密度；

-被配置成针对所述部件的至少一个纤维单元来从所述图像中提取在该纤维单元在所述部件中的长度的全部或部分之上表示该纤维单元的线的提取模块(4B)；

-被配置成在提取自所述图像的每条线的多个参考点处在宽度上遵照所述线代表的所述纤维单元的宽度来对所述线进行扩展的扩展模块(4C)，对于每个参考点，所述扩展导致与该参考点相关联的多个经扩展的点；

-被配置成将一取向与关联于提取自所述图像的线的参考点的每个经扩展的点进行关联的关联模块(4D)，所述取向平行于所述线在该参考点处的方向；

-被配置成针对多个经扩展的点来从与这些经扩展的点相关联的所述取向中评估所述纤维单元在这些点处的平均取向的评估模块(4E)；以及

-被配置成针对所述纤维单元的多个取向来确定具有它们的来自以这种方式评估的所述平均取向的取向的纤维单元的比例的确定模块(4F)。

12.一种供在检测复合材料部件时使用的无损检测系统(1)，所述复合材料部件包括纤维单元的总成，所述检测系统包括：

-被配置成采集所述部件的图像的数字成像系统(3)，所述图像的每个像素表示所述部件的由该像素在所述图像中表示的点处的材料密度；

-根据权利要求11的用于确定所述部件的纤维单元的取向的确定设备(4)；以及

-用于检测所述部件并且被配置成使用以这种方式确定的所述取向的检测设备(5)。