CN110276814B - 一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法，首先依据编织复合结构中纤维束和基体的拓扑特征进行几何建模，然后基于μCT断层扫描序列图像对拓扑特征进行辨识，提取特征的变化规律，最后对几何模型进行二次重构，完成细观结构的建模。相比于基于编织工艺参数的结构建模方式，它提高了重构模型与真实编织结构的吻合度，有助于提高后续对材料力学性能计算的准确度；而相比于直接依据μCT图像进行结构重建的方法，它简化了繁琐的点云数据处理过程，极大地降低了计算成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法。
背景技术
三维编织复合材料是一种利用编织技术，把经向、纬向和法向的纤维束编织成一个整体的的复合材料，具有材料和结构一体化特征。由于免去了二次加工可能造成的损伤，所以不仅具有传统复合材料的高比强度和比刚度等良好的物理化学特性，同时避免了复合材料传统层合板的层间剪切破坏，大大提升了材料的可靠性，同时也降低了成本。因此三维编织复合材料具有极广的发展前景，是未来航空航天发展的主流材料。
随着计算机行业的发展，在复合材料力学性能研究的领域，数值模拟技术已经与传统力学实验技术并驾齐驱，成为研究问题的两种主要方法。而材料细观结构的几何建模则是数值模拟技术中最基础的部分，直接影响数值计算结果的准确性。当前大多数几何模型都针对理想化结构进行建模，不考虑实际编织结构中因为纤维束间、纤维束和基体间相互约束而造成的变形。这使得材料细观结构的计算模型与真实情况存在很大差异，导致对某些材料力学性能预测产生极大的误差，例如裂纹的扩展和材料的损伤。但是若完全按照真实材料进行详细的细观结构建模，一方面计算成本会极大地增加，另一方面可能因为某些小的尺寸缺陷导致数值计算方法难以收敛，使力学性能预测遭到失败。
复合编织材料细观建模方法主要有三类：1)一类对实际编织件进行切割，拍摄切割面，利用图像处理技术获得实际纤维束截面轮廓，然后通过CAD软件重建几何模型。但是切割不可避免地会对编制体造成破坏；2)一类是利用编织参数、纤维束编织规律，进行理想化模型的几何建模，不考虑空间纤维束的相互扭结和挤压造成的纤维束的弯曲和截面变形。但是缺乏实际依据，未考虑在实际编织过程中，纤维束与纤维束之间的相互作用对纤维束截面形状与结构的影响；3)还有一类是依据断层扫描图像直接生成点云数据，根据数据重构模型，这种建模方法过程往往十分繁琐，容易引入误差。
专利申请号为201410550663.0，发明名称为“基于CT扫描图像的MEMS结构重构与检测方法”，该发明采用工业CT技术扫描得到器件系列图像，对图像处理后得到其点云体数据，根据体数据重建表面模型，再依据表面模型重构实体模型。该方法主要关注表面形状的特征识别，应用于MEMS超小结构的无损检测。专利申请号为201110194159.8，发明名称为“一种基于序列图像的多相材料细观构造有限元重构方法”，该发明在采集、读取和插值材料序列图像的基础上，建立与图像形成映射关系的网格模型，并利用网格的构造信息确定节点和单元信息，利用图像颜色信息确定模型材料属性，从而重构有限元模型。这种方法避免了几何重构与网格划分等环节中的误差积累，但是需要处理大量的数据，计算成本很高，该方法更适合处理多相随机分布的材料。专利申请号为201610240707.9，发明名称为“一种复合材料细观结构的计算机图形识别方法”，该发明采用X光计算机断层扫描技术得到2.5维复合材料的细观结构图片；采用阈值分割技术识别出基体区域；将每个基体区域假设为扭曲的四边形结构处理，识别出每个基体区域的四条边界，并进行标记；利用基体区域完成对预制体的经、纬向纤维束的识别；最后将每一幅经过识别的图片堆叠起来，建立2.5维细观结构三维模型。这种方法的适用范围比较窄，对于复杂的如3D正交、3D4向编织结构并不可行；并且其辨识的主体是基体，没有考虑编织结构纤维束的编织特征，很容易造成模型误差。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法
本发明可通过以下技术方案予以解决：
一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法，包括以下步骤：
1)准备样品：制备尺寸适用于μCT测试的复合材料样品；
2)编织体拓扑特征的参数化建模：假设编制过程稳定，编织结构均匀一致；纤维束截面可近似为椭圆，以样条曲线作为纤维束的轴线，表示纤维束走向，针对不同编织方式的结构体进行参数化建模，建立编织体的拓扑模型；
3)μCT系统扫描：利用高功率显微μCT系统对真实编织结构进行扫描，获得结构的点云数据；
4)数据处理：利用ImageJ图像处理软件处理μCT系统扫描得到的原始数据，将raw文件转化为常用的png图形文件；
5)细观结构的相成分辨识：不同的物质，X射线吸收系数不同，有材料的区域与没有材料的区域在μCT扫描图像中表现为灰度不同，根据灰度的连续性识别出编织结构各向纤维束；
6)细观结构的纤维束特征辨识与提取：运用ImageJ软件中的测量工具获得不同空间位置处纤维束的束间距离和实际截面形状的特征与结构参数，再采用统计平均的处理方法，对实测的参数变化规律进行均一化处理；
7)参数化模型的修正：依据提取的特征参数对参数化细观模型中纤维束的空间位置进行修改，沿纤维束走向修改纤维束横截面参数，以表现纤维束受挤压的变形程度，位置不同，纤维束变形程度不同，从而得到与真实结构有很高吻合度的细观模型。
作为本发明的优选实施例，所述μCT系统可为其他扫描精度的CT系统。
作为本发明的优选实施例，所述μCT系统扫描得到的原始数据也可利用VGStudio或Avizo软件处理将raw文件转化为常用的png图形文件。
作为本发明的优选实施例，所述细观结构模型即为微观模型或拓扑模型。
有益效果
1)模型与真实结构吻合度高：本发明利用CT断层扫描，在不损伤材料结构的前提下提取材料真实的特性参数，与切割编织体得到材料参数或仅利用编织参数建立的理想化模型相比，本发明重构的模型与真实结构更加吻合。
2)模型重构过程简单快捷，计算成本低：本发明并没有直接利用CT扫描序列图像的点云数据生成模型，仅提取了重要的编织体特征参数，提取方式简单明了，与利用点云数据直接生成模型相比，略去了复杂并且极易引入误差的数据处理过程，计算成本大大降低。
3)适用范围广：本发明能运用于任何已知编织结构的复合材料细观模型重构上，并且对于同一编织结构的复合材料，仅需依据特征参数改变模型参数，不需要重复建模。
附图说明
图1为本发明建模流程图；
图2-1、2-2、2-3、2-4分别为四种不同结构编织体的μCT扫描结果与重构的细观模型。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
实施例
如图1所示，本发明的一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法，以图2-2所示2.5D编织结构为例，包括以下步骤：
1)准备样品：制备尺寸(长x高x宽：8750.76x4304.5x11670μm)适用于μCT测试的2.5D复合材料样品；
2)编织体细观结构的参数化建模：2D结构由经向纤维束与纬向纤维束在同一平面相互交织构成，2.5D结构是在2D的基础上，使纬向纤维束与两层经向纤维束交织，形成平行多层交织，以椭圆作为2.5D模型的纤维束截面，依据经纬向纤维束的交织方式进行参数化建模，建立编织体的拓扑模型；
3)μCT系统扫描：利用高功率显微μCT系统对同样编织参数的真实2.5D编织体进行扫描，获得编织体结构的点云数据；
4)数据处理：利用ImageJ图像处理软件处理μCT系统扫描得到的原始数据，将raw文件转化为常用的png图形文件；
5)细观结构的相成分辨识：不同的物质，X射线吸收系数不同，有材料的区域与没有材料的区域在μCT扫描图像中表现为灰度不同，根据灰度的不连续性识别出2.5D编织结构的经向纤维束与纬向纤维束；
6)细观结构的纤维束特征辨识与提取：运用ImageJ软件中的测量工具获得不同空间位置处纤维束的束间距离和实际截面形状的特征与结构参数，再采用统计平均的处理方法，对实测的特征与结构参数进行均一化处理。受到编织方式影响，纬向纤维束排列紧密，经向纤维束处处受到纬向纤维束挤压，从μCT扫描图像的实际测量数据得知纤维束沿轴线方向横截面积变化小，可忽略。对经向纤维束横截面积做均一化处理，椭圆横截面长轴为1076μm，短轴为142.5μm，经向纤维束束间距离为2381μm。经向纤维束排列松散，束间距离大，造成部分纬向纤维束未与经向纤维束接触，从μCT扫描图像的实际测量数据得知两纤维束接触部分与未接触部分的横截面积变化大，不可忽略。均一化处理后，两纤维束未交叉部分中心处截面面积最大为169936μm2，椭圆横截面长轴为988μm，短轴为172μm，两纤维束交叉部分中心处截面面积最小为157573μm2，椭圆长轴为1105μm，短轴为142.6μm，纬向纤维束束间距离为1120μm；
7)参数化模型的修正：依据提取的特征参数对参数化细观模型中经纬向纤维束的束间距离与
横截面参数进行修改，得到与真实结构有很高吻合度的细观模型。
其中，μCT系统可以使用其他扫描精度的CT系统；μCT扫描得到的原始数据，可以利用VGStudio、Avizo软件处理，能够得到与ImageJ软件同样的效果；细观结构模型可以用微观模型、拓扑模型的概念代替。
如图2-1、2-3、2-4所示，分别为本发明2D、3D正交、3D4向结构编织体的μCT扫描结果与重构的细观模型。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备样品：制备尺寸适用于μCT测试的复合材料样品；
2)编织体细观结构的参数化建模：假设编织过程稳定，编织结构均匀一致；纤维束截面近似为椭圆，以样条曲线作为纤维束的轴线，表示纤维束走向，针对不同编织方式的结构体进行参数化建模，建立编织体的拓扑模型；
3)μCT系统扫描：利用高功率显微μCT系统对复合材料进行扫描，获得复合材料的点云数据；
4)数据处理：利用ImageJ图像处理软件处理μCT系统扫描得到的原始数据，将raw文件转化为常用的png图形文件；
5)细观结构的相成分辨识：不同的物质，X射线吸收系数不同，有复合材料的区域与没有复合材料的区域在μCT扫描图像中表现为灰度不同，根据灰度的不连续性识别出编织结构的各向纤维束；
6)细观结构的纤维束特征辨识与提取：运用ImageJ软件中的测量工具获得不同空间位置处纤维束的束间距离和实际截面形状的特征参数与结构参数，再采用统计平均的处理方法，对实测参数的变化规律进行均一化处理；
7)参数化模型的修正：依据提取的特征参数对参数化细观模型中纤维束的空间位置进行修改，沿纤维束走向修改纤维束横截面参数，以表现纤维束受挤压的变形程度，位置不同，纤维束变形程度不同，从而得到与真实结构有很高吻合度的细观模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述μCT系统可为其他扫描精度的CT系统。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述μCT系统扫描得到的原始数据也可利用VGStudio或Avizo软件处理将raw文件转化为常用的png图形文件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细观结构模型即为微观模型或拓扑模型。
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