[发明专利]建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法和装置

权利要求书

1.一种建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）对橡胶基复合材料进行切片；

2）对橡胶基复合材料的切面拍摄扫描电子显微镜照片，得到橡胶基复合材料的切片图像；

3）对橡胶基复合材料的切片图像进行锐化、边缘化处理并得到短纤维截面的椭圆形轮廓或圆形轮廓或四边形轮廓；

4）由上述切面上短纤维截面判定短纤维在基体中的空间取向；

5）对由得到的众多短纤维的直径和空间取向进行统计分析，获得短纤维的直径和空间取向的分布规律；

6）根据纤维直径和取向的分布规律，编制计算机程序，建立复合材料三维代表体积单元。

2.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于，所述步骤3）中短纤维截面的椭圆轮廓的短轴长度设定为纤维的直径。

3.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于，所述步骤3）中当短纤维截面为圆形时，则判定短纤维垂直于切切面；当短纤维截面为四边形时，则判定短纤维平行于切切面；当短纤维截面为椭圆形时，短纤维轴向与切面法向之间的角度通过椭圆长轴与椭圆短轴的比值确定，纤维在切面内的取向由纤维椭圆截面长轴方向确定。

4.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤3）中当短纤维截面为不完整的椭圆时，通过如下步骤得到纤维取向信息：

3-1）对同一橡胶基复合材料进行两次切片并拍摄SEM照片，得到两个相邻切的第一切面与第二切面；

3-2）对所述两个切面的图像进行互相关分析，识别为同一根纤维后，得到完整的短纤维截面，并从该截面上得到纤维取向信息。

5.根据权利要求4所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤3-2）中先从第一切面的图像中确定搜索区域的大小，接着直接在第二幅图像中对应的搜索区域中寻找最匹配的对象，得到同一根纤维在第二幅图像上的椭圆截面。

6.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤6）中采用球坐标系定义短纤维的空间取向，具体包括如下步骤：

6-1）根据设定尺寸生成长方体基体模型，建立平行于立方体三条棱边的笛卡尔坐标系；

6-2）在长方体基体范围内随机产生纤维中心点位置，并在此随机中心点位置放置平行于坐标方向的标准纤维；

6-3）根据实验得到的纤维直径和空间取向的分布概率函数，修改纤维直径和空间取向；

6-4）判断加入纤维与已有纤维是否干涉，如果干涉，计数器x加1；判断计数器x的数值是否大于m，m为一个设定值，如果x不大于m，则返回步骤（6-3），重新调整纤维直径和空间取向；如果x大于m，计数器x清零，返回步骤（6-2），重新产生纤维中心点的坐标；如果不干涉，计数器x清零，接受所加入的纤维，并判断纤维的体积分数是否达到设定值，如果达到，则退出程序，如果没有，返回步骤（6-2）继续进行。

7.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤6-4）中判断加入纤维与已有纤维是否干涉包括如下步骤：

a）提取所有纤维的中心线段，所述纤维的中心线段为圆柱形纤维的无限长对称轴被纤维两端面所截取的部分；

b）如果加入纤维的中心线段与任何已有纤维中心线段之间最小距离均大于所涉及的两根纤维的半径之和，那么判定加入纤维与已有纤维不干涉，否则判定加入纤维与已有纤维为干涉。

8.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤1）中对橡胶基复合材料进行切片处理时，环境温度控制在-175℃-125℃。

9.根据权利要求1所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法，其特征在于所述步骤1）中进行切片操作时中先选择较大的初始切割量，并逐步减小切割量。

10.采用如权利要求1-9任一项所述的建立短纤维增强橡胶复合材料三维代表体元的方法的装置，其特征在于包括深冷转轮切片机、环境扫描电子显微镜、计算机工作站，其特征在于所述深冷转轮切片机对短纤维进行切片操作形成纤维截面，扫描电子显微镜对纤维截面进行拍摄扫描，并将采集的图像信息输入至计算机工作站中进行处理与识别，得到短纤维的空间取向参数，所述环境扫描电子显微镜包含带有巡航功能的样品台，用于一次拍摄同一切面不同区域照片。