[發明專利]一種平紋編織結構經紗與緯紗識別方法

有效

• 申請號: 201910715163.0
• 申請日: 2019-08-02
• 公開（公告）號: CN110348429B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 宋迎東;賈蘊發;高希光;張盛;于國強;韓笑;謝楚陽;董洪年
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06N3/04;G06N3/08;G01N23/046
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 上官鳳棲

一種平紋編織結構經紗與緯紗識別方法，通過全卷積神經網絡初步對陶瓷基復合材料平紋編織結構進行細觀結構識別，此時的細觀結構包括纖維束、基體和空洞。根據平紋編織結構的分布特點，再分別劃分經緯紗區域，整張切片最終被細分成若干網格。之后，將每一列緯紗與所有經紗區域的交叉區域進行編號標記。根據上述在交叉區域的經紗和緯紗區分方法，按照編號次序依次處理，最終實現了平紋編織結構的纖維束的經紗和緯紗的識別，彌補了神經網絡無法準確區分經緯紗的缺點，為平紋編織結構的三維建模提供了準確的內部細觀結構數據。

技術領域

本發明屬于陶瓷基復合材料預制體細觀結構識別領域，具體涉及陶瓷基復合材料平紋編織結構XCT切片細觀結構纖維束的經紗與緯紗識別方法。

背景技術

在預測力學性能時，材料的三維有限元分析模型結構要盡可能與實際情況相同，而不是在理想情況下對材料進行三維重建。

XCT(XCT，X-ray Computed Tomography)是一種無損檢測方法，可在不破壞材料的前提下，準確得到材料內部結構，XCT掃描材料后會得到一系列的XCT切片。通過每張切片在實際材料中占據的厚度進行拉伸，再將一系列拉伸模型進行疊加，最終得到三維模型并進行有限元劃分。然而，這種方式最終只能得到材料的三維模型，而無法分辨材料內部的細觀結構分布，包括經紗、緯紗、基體和孔洞。有限元分析的一個步驟就是賦予每種材料對應的材料屬性，因此，識別一系列XCT切片的細觀結構就是一個很大的挑戰。

目前，對于陶瓷基復合材料(CMCs，Ceramics Matrix Composites)平紋編織結構XCT切片細觀識別取得了一系列成果。

一些學者通過手動標記得到的平紋編織結構XCT切片，得到了內部的經紗和緯紗結構，并進行切片的拉伸和疊加，得到了三維模型。采用像素網格的方式，實現了對平紋編織結構彈性模量的有限元分析。此種手動標記的方式不適合標記大量的XCT切片，并且對于標記人員的專業知識具有很高要求。

也有學者將全卷積神經網絡應用于陶瓷基復合材料復雜預制體的細觀結構識別領域，然而對于平紋編織結構來說，卻只是實現了纖維束、基體、空洞細觀結構的識別。在平紋編織結構中纖維束根據方向的不同分為經紗和緯紗，經紗呈水平方向，緯紗呈豎直方向。對于有限元分析方法來說，把經紗和緯紗均當作相同的纖維束，并將識別的細觀結構切片進行三維重建是不合理的，這是因此CMCs是各向異性的，經紗和緯紗的力學性質是不同的，使得分析結果是不準確的。

基于上述缺點，本發明基于全卷積神經網絡初步識別平紋編織結構XCT切片結束后得到圖片進再在處理，此時識別的細觀結構包括的纖維束、基體、和空洞，根據平紋編織結構的經紗和緯紗的分布規律以及空洞位置，進一步使用圖像處理的方法將纖維束分為經紗和緯紗，彌補神經網絡無法準確區分相同材料但方向不同的纖維束，使得后期的三維重建得到的結構更接近于真實結構，有限元分析得到的結果與實驗數據更加吻合。

發明內容

本發明針對現有技術中的不足，提供一種平紋編織結構經紗與緯紗識別方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種平紋編織結構經紗與緯紗識別方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、基于Caffe框架，建立全卷積神經網絡模型；

步驟二、使用XCT掃描平紋編織結構的材料，得到一系列XCT切片，建立用于訓練全卷積神經網絡的平紋編織結構數據集；

步驟三、使用平紋編織結構數據集訓練全卷積神經網絡；

步驟四、將不在平紋編織結構數據集中的新掃描的XCT切片輸入訓練好的全卷積神經網絡進行細觀結構識別，得到每張新掃描的XCT切片中屬于纖維束、基體和空洞的區域；

步驟五、對新掃描的XCT切片中的纖維束進行再識別，得到屬于經紗和緯紗的像素區域。