[發(fā)明專利]一種碳/碳復(fù)合材料孔隙的輪廓匹配及空間結(jié)構(gòu)表征方法

有效

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• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112100845B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 齊樂華;葛健;晁許江;楊程;李賀軍
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14;G06F113/26
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 華金

本發(fā)明涉及一種碳/碳復(fù)合材料孔隙結(jié)構(gòu)的輪廓匹配及空間結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，解決了碳/碳復(fù)合材料在數(shù)值模擬中空間結(jié)構(gòu)難以表征的技術(shù)問題，該方法基于光學(xué)顯微圖像，利用圖像處理將孔隙輪廓從碳/碳復(fù)合材料的二維圖像中提取出來，解決了由于拍攝過程中位置改變所引起的輪廓不匹配問題，同時利用三角平面完成了孔隙厚度方向的構(gòu)建，實現(xiàn)了對多個孔隙輪廓進行精確地空間結(jié)構(gòu)表征，為后續(xù)分析輪廓結(jié)構(gòu)對碳/碳復(fù)合材料整體力學(xué)性能奠定基礎(chǔ)，同時該方法簡單易行，成本不高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料學(xué)和計算機科學(xué)的交叉領(lǐng)域，涉及一種碳/碳復(fù)合材料孔隙空間三維結(jié)構(gòu)的精準表征方法，特別是涉及上下厚度層的輪廓匹配和三角面重建的方法。

背景技術(shù)

伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬是目前復(fù)合材料性能評估的重要手段之一，其能夠很好地彌補實驗的不足。碳/碳復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于航空航天以及摩擦磨損領(lǐng)域，然而在制備碳/碳復(fù)合材料過程中不可避免地產(chǎn)生形狀復(fù)雜的孔隙，因此準確表征孔隙形狀是模擬碳/碳復(fù)合材料整體性能的難點。

孔隙空間三維結(jié)構(gòu)的表征大多基于X射線計算機斷層掃描成像技術(shù)(XCT)。XCT可以在無損的條件下逐層對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)進行掃描，效率較高，但是要求被掃描的試樣體積很小，獲得的圖像分辨率較差，尤其是各組分灰度相接近的復(fù)合材料，一些微觀結(jié)構(gòu)往往不能準確識別，而且需要專門的實驗設(shè)備，成本高。如文獻“Z.Yang,W.Ren,R.Sharma,S.McDonald,M.Mostafavi,Y.Vertyagina,T.J.Marrow,In-situ X-ray computedtomography characterisation of 3D fracture evolution and image-basednumerical homogenisation of concrete.Cement and Concrete Composites,2017.75:p.74-83”中利用一種原位XCT技術(shù)對水泥基復(fù)合材料進行三維表征，其模型能夠較準確評估水泥基復(fù)合材料整體力學(xué)性能，但是得到的二維圖像分辨率只達到37.2μm，對于各成分灰度相接近的復(fù)合材料，難以將孔隙從中區(qū)分出來，而且具有龐大的輪廓結(jié)構(gòu)特征點數(shù)據(jù)(超過15Gb)，一般的數(shù)值模擬軟件較難建立相應(yīng)的模型。光學(xué)顯微成像技術(shù)相對于XCT技術(shù)，其分辨率較高，操作簡單，能夠獲取高質(zhì)量的復(fù)合材料二維微觀結(jié)構(gòu)特征圖像，雖然相鄰厚度層之間具有一定的平面度誤差，但是當上下厚度層間的距離較小時，所引起的平面度誤差可以忽略不計。由于碳/碳復(fù)合材料中各組分的材料灰度屬性相似，不易區(qū)分，因此適宜采用光學(xué)顯微成像技術(shù)。基于顯微成像技術(shù)表征碳/碳復(fù)合材料孔隙的空間結(jié)構(gòu)存在一定挑戰(zhàn)，如二維圖像獲取時容易導(dǎo)致上下層輪廓不匹配的現(xiàn)象，以及孔隙厚度方向的平面表征較難等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明采用光學(xué)顯微鏡成像技術(shù)獲取碳/碳復(fù)合材料的二維圖像信息，提出一種將孔隙輪廓近似橢圓的匹配方法，根據(jù)近似橢圓的取向、中心位置以及灰度等來綜合計算上下層輪廓的匹配度，尋找最佳的匹配輪廓，能有效地解決獲取二維顯微圖像中由于位置改變而導(dǎo)致的輪廓不匹配現(xiàn)象；采用Freeman鏈碼規(guī)則精簡輪廓數(shù)據(jù)，保證匹配輪廓之間的特征點數(shù)相同，并基于最短對角線原則構(gòu)建厚度方向的三角平面，為后續(xù)有限元分析孔隙結(jié)構(gòu)的影響奠定基礎(chǔ)。其次相對于XCT掃描技術(shù)，該方法成本較低，操作簡單。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種碳/碳復(fù)合材料孔隙的輪廓匹配及空間結(jié)構(gòu)表征方法，包括以下步驟：

步驟一：將所要分析的碳/碳復(fù)合材料按照相同的間隔厚度進行磨樣、拋光等處理，在偏光顯微鏡(PLM)下拍攝一組照片，獲取不同厚度層的圖像信息；

步驟二：將上一步拍攝的圖像分別進行預(yù)處理操作，獲取各PLM圖像的灰度直方圖，從灰度直方圖中得到孔隙的灰度閾值；

步驟三：將上一步預(yù)處理后的圖像采用閾值分割算法進行二值化處理，并結(jié)合形態(tài)學(xué)算法獲得各孔隙區(qū)域的面積屬性，同時摒除面積較小的區(qū)域，從而得到各孔隙區(qū)域在二值化后的輪廓數(shù)據(jù)點集合；