[發(fā)明專利]一種基于CT切片圖像的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三維重構(gòu)建模方法

在審

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• 申請日: 2022-03-18
• 公開（公告）號: CN114419284A
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 騰雪峰;屈帥鑌;石多奇;宋超;陸銘慧;胡曉安
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌航空大學(xué)
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20;G06T7/13;G06T7/136;G06T3/00;G06T7/00
• 代理公司: 深圳市智旭鼎浩知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44746
• 代理人: 付龍

本發(fā)明屬于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)建模技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于CT切片圖像的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三維重構(gòu)建模方法，包括如下步驟：1)采用CT技術(shù)，獲取纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀切片圖像，并轉(zhuǎn)化為灰度圖像；2)復(fù)合材料細(xì)觀CT切片灰度圖像二值化；3)二值化的材料灰度圖像纖維束輪廓識別；4)材料灰度圖像纖維束輪廓光滑處理；5)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)。本發(fā)明專利提供了一種細(xì)觀尺度三維重構(gòu)建模的方法，大大降低了人工三維重構(gòu)建模的成本和誤差，對材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)形貌和尺寸的變化可進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的量化表征和建模，具有較好的工程推廣性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)建模技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于CT切片圖像的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三維重構(gòu)建模方法。

背景技術(shù)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高比剛度、低密度等優(yōu)異的力學(xué)性能，在航空航天、車輛、建筑等工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，制備過程在高溫、應(yīng)力和時(shí)間的作用下，纖維束會不可避免地相互擠壓、扭曲、變形，形成不規(guī)則的細(xì)觀編織結(jié)構(gòu)，而材料的宏觀性能都取決于其內(nèi)部的微觀、細(xì)觀結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能對細(xì)觀編織結(jié)構(gòu)的形貌、形狀等參數(shù)具有強(qiáng)相關(guān)性，細(xì)觀結(jié)構(gòu)的扭曲、變形必然會影響材料的模量和強(qiáng)度，危害工程應(yīng)用的可靠性和安全性。

為了保證纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程領(lǐng)域的安全應(yīng)用，工程上必須要研究材料的細(xì)觀編織特征對材料宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律，但是現(xiàn)有的細(xì)觀建模方法都基于一定近似、簡化假設(shè)，缺乏能夠表征、反映真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的三維重構(gòu)建模方法。

中國專利CN 111063402 A公布了一種基于蒙特卡洛方法的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀尺度幾何重構(gòu)方法，能夠得到幾何重構(gòu)體中纖維的數(shù)量、填充率、平均取向和長度分布等數(shù)據(jù)，但該方法不能體現(xiàn)細(xì)觀尺度纖維束的形貌、尺寸變化特征。國內(nèi)還沒有其他能夠真實(shí)還原細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的重構(gòu)建模方法。

隨著計(jì)算機(jī)圖像處理方法在材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征分析、提取中的廣泛應(yīng)用，各種圖像處理算法開始應(yīng)用于材料微細(xì)觀組織、結(jié)構(gòu)特征的提取和表征，因此基于圖像算法發(fā)展一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的三維重構(gòu)建模方法，能夠在大幅降低纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)的人工成本的同時(shí)，提高建模的精確性。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于CT切片圖像的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三維重構(gòu)建模方法，所用到的核心圖像處理算法包括孔隙填充算法和輪廓提取算法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，提供一種基于CT切片圖像的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料三維重構(gòu)建模方法，包括如下步驟：

1)采用CT技術(shù)，獲取纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀切片圖像，并轉(zhuǎn)化為灰度圖像；

2)復(fù)合材料細(xì)觀CT切片灰度圖像二值化；

3)二值化的復(fù)合材料細(xì)觀灰度圖像輪廓識別與提取；

4)材料細(xì)觀灰度圖像輪廓光滑處理；

5)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)。

優(yōu)選的，步驟1)具體包括如下步驟：

利用X射線三維CT掃描技術(shù)，獲得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部不同位置的切片圖像，掃描時(shí)CT切片截面與復(fù)合材料的編織主方向垂直。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟2)具體包括如下步驟：

利用閾值分割法將步驟1)獲得的CT切片灰度圖像轉(zhuǎn)換為黑白二值圖像，黑白二值圖像中黑色代表纖維束，像素值為0；白色代表基體相，像素值為1。

進(jìn)一步優(yōu)選，步驟3)具體包括如下步驟：