[發明專利]一種數字體積相關算法在邊界問題上的處理方法

在審

• 申請號: 201610102254.3
• 申請日: 2016-02-24
• 公開（公告）號: CN105737769A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 萬克樹;呂長月
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01B15/06
• 分類號: G01B15/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李倩

本發明公開了一種數字體積相關算法在邊界問題上的新型處理方法，該方法包括如下步驟：根據三維圖像數據的灰度和邊界形狀定義計算區域(VOI)，利用VOI區分有效體素點和無效體素點，VOI內的體素點為有效體素點，VOI外的體素點為無效體素點；將傳統子區內所有有效的體素點組成改進的子區，利用改進的子區確定計算點的整體素位移；利用改進的子區計算亞體素位移；利用改進方法得到的位移場，且只選取VOI內有效計算點的非規則窗口計算應變場。本發明方法克服了傳統數字體積相關方法在邊界附近的計算錯誤問題，提高了在邊界及邊界附近計算點的位移和應變計算結果的準確性。

技術領域

本發明涉及一種數字體積相關算法在邊界問題上的處理方法，屬于材料與結構的變形測量領域。

背景技術

數字體積相關方法(DVC)是目前唯一能直接測量材料內部三維變形場的實驗力學方法。DVC在1999年由B.K.Bay等人(Bay B K，Smith T S，Fyherie D P，et al.Digitalvolume correlation：Three-dimensional strain mapping using X-ray tomography[J].Experimental Mechanics，1999，39(3)：217～226)提出后，在生物材料、泡沫材料、復合材料等領域取得了廣泛的應用。

DVC是依據變形前后三維數字體圖像灰度的變化確定三維位移場，進而計算應變場的一種實驗方法。DVC原理上基于連續介質力學，不但要求材料相對連續，也要求材料的變形場連續。而實際的材料和結構不可避免地存在不同的內外邊界，比如復合材料中的增強相，粗細骨料、顆粒、纖維等，再比如很多材料(比如混凝土、陶瓷等)中均存在氣孔、裂紋等典型的缺陷，還有規則或不規則材料形狀也構成外邊界。傳統DVC方法在跨越這些邊界時，所依賴的理論基礎不再成立，會出現明顯的計算錯誤。基于體素子區的DVC在計算變形時以圍繞計算點的規則子區為基本單位。計算點在邊界或者邊界附近時，子區會跨過邊界，由于邊界內外圖像灰度差別和材料變形的不連續性，導致邊界上及邊界附近的計算點的位移和應變結果均存在明顯的錯誤。

除了基于體素子區的DVC，還有一種基于有限元的DVC，也叫全局DVC(Roux S，HildF，Viot P，et al.Three dimensional image correlation from X-Ray computedtomography of solid foam[J].Composites Part A Applied Science&Manufacturing，2008，39(8)：1253-1265.)。基于有限元的DVC同樣存在邊界和非均勻變形場測量問題。為了解決該問題，J Réthoré等人在擴展有限元的基礎上提出了解決三維問題的方法(RéthoréJ，Limodin N，Buffière JY，et al.Three-dimensional Analysis of Fatigue CrackPropagation using X-Ray Tomography，Digital Volume Correlation and ExtendedFinite Element Simulations[J].Procedia Iutam，2012，4(9)：151-158.)，該方法的核心思想是通過改變有限元中的形狀函數來實現對不均勻變形場的描述。基于體素子區的DVC和基于有限元的DVC本身具有巨大的差別，可視為兩種不同的獨立方法，前者是對數據局部利用進行相關性計算，后者是對數據全局進行有限元計算。J Réthoré等人的核心思路是改變擴展有限元中的形函數來準確描述邊界附近的變形場，本發明的核心思路根本性地區別于基于有限元的DVC。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種數字體積相關算法在邊界問題上的處理方法，本發明方法是通過在邊界附近區分有效體素點和無效體素點，構建不規則形狀的改進子區，從而準確計算邊界附近的變形場，解決了傳統方法存在邊界計算錯誤的問題。

發明內容：為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：