[发明专利]一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法

说明书

本发明公开了一种数字体积相关算法在边界问题上的新型处理方法，该方法包括如下步骤：根据三维图像数据的灰度和边界形状定义计算区域(VOI)，利用VOI区分有效体素点和无效体素点，VOI内的体素点为有效体素点，VOI外的体素点为无效体素点；将传统子区内所有有效的体素点组成改进的子区，利用改进的子区确定计算点的整体素位移；利用改进的子区计算亚体素位移；利用改进方法得到的位移场，且只选取VOI内有效计算点的非规则窗口计算应变场。本发明方法克服了传统数字体积相关方法在边界附近的计算错误问题，提高了在边界及边界附近计算点的位移和应变计算结果的准确性。

技术领域

本发明涉及一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法，属于材料与结构的变形测量领域。

背景技术

数字体积相关方法(DVC)是目前唯一能直接测量材料内部三维变形场的实验力学方法。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、复合材料等领域取得了广泛的应用。

DVC是依据变形前后三维数字体图像灰度的变化确定三维位移场，进而计算应变场的一种实验方法。DVC原理上基于连续介质力学，不但要求材料相对连续，也要求材料的变形场连续。而实际的材料和结构不可避免地存在不同的内外边界，比如复合材料中的增强相，粗细骨料、颗粒、纤维等，再比如很多材料(比如混凝土、陶瓷等)中均存在气孔、裂纹等典型的缺陷，还有规则或不规则材料形状也构成外边界。传统DVC方法在跨越这些边界时，所依赖的理论基础不再成立，会出现明显的计算错误。基于体素子区的DVC在计算变形时以围绕计算点的规则子区为基本单位。计算点在边界或者边界附近时，子区会跨过边界，由于边界内外图像灰度差别和材料变形的不连续性，导致边界上及边界附近的计算点的位移和应变结果均存在明显的错误。

除了基于体素子区的DVC，还有一种基于有限元的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同样存在边界和非均匀变形场测量问题。为了解决该问题，J Réthoré等人在扩展有限元的基础上提出了解决三维问题的方法(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.)，该方法的核心思想是通过改变有限元中的形状函数来实现对不均匀变形场的描述。基于体素子区的DVC和基于有限元的DVC本身具有巨大的差别，可视为两种不同的独立方法，前者是对数据局部利用进行相关性计算，后者是对数据全局进行有限元计算。J Réthoré等人的核心思路是改变扩展有限元中的形函数来准确描述边界附近的变形场，本发明的核心思路根本性地区别于基于有限元的DVC。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种数字体积相关算法在边界问题上的处理方法，本发明方法是通过在边界附近区分有效体素点和无效体素点，构建不规则形状的改进子区，从而准确计算边界附近的变形场，解决了传统方法存在边界计算错误的问题。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：