[发明专利]一种三维编织复合材料预制体结构的识别与建模方法

说明书

一种三维编织复合材料预制体结构的识别与建模方法，包括以下步骤：根据预设几何参数建立三维编织复合材料单胞理论模型；利用XCT技术获得三维编织复合材料的XCT切片图；选择XCT切片图中用于建模的与单胞理论模型相对应的局部XCT切片图；对局部XCT切片图进行阈值处理；对经过阈值处理后的局部XCT切片图进行噪点去除；将上一步经过处理后的局部XCT切片图中的像素值与预设几何参数的理论切片图的像素值进行比较计算，得出差异值；更改单胞理论模型预设值，通过优化算法获得几何参数最优解。本发明能实现三维编织复合材料的高精度建模，适用性更强，可以应用于各种三维编织复合材料。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种三维编织复合材料预制体结构的识别与建模方法。

背景技术

三维编织复合材料是由三维编织物(预制件)增强的一种复合材料，其具有优秀的层间性能和其他力学性能，广泛应用于航空航天领域、军事、能源等领域中。因此建立三维编织复合材料细观结构的三维模型，对其进行力学性能等研究非常必要。材料细观结构的识别是本三维建模方法的重点，对编织材料进行细观识别可以判断图片不同区域所属结构，从而为三维建模提供依据。

一些学者通过计算纤维束中心在编织过程中的移动轨迹，得到每条纤维束的位置坐标，对三维编织复合材料进行模型创建，如中国专利申请号为201710388546.2，发明名称为“三维编织复合材料六面体有限元模型自动生成方法”。该方法通过输入几个简单的宏观参数，可实现对复杂几何结构三维编织复合材料的快速建模。但是此方法基于携纱器的运动规律进行建模，没有考虑真实情况下纤维束受到挤压变形的复杂情况。

有学者通过XCT技术获取了2.5维复合材料内部结构的数字化图片，在对图片进行处理后，对所属结构进行识别，如中国专利申请号为201610838554.8，发明名称为“一种复合材料细观结构的计算机图形识别技术和三维建模方法”。该方法通过读取XCT切片数据，基于真实状态对2.5维编织复合材料进行建模，但是该方法没有与现有理论模型结合进行建模，且只适用于2.5维复合材料。

陈城华通过Micro-CT技术获得了三维四向碳/环氧编织复合材料的数字化图片，利用“腐蚀阈值法”等方法对图片进行预处理，后通过图像椭圆的特征对纤维束截面进行自动识别，将单根纤维束在各切片上的截面通过插值连接起来，能够根据数字化图片对预制体进行三维建模。该方法同样依赖于Micro-CT图片和纤维束二维横截面特征，没有利用编织复合材料的三维模型假设。

由于制造与使用过程中的一些影响因素，三维编织复合材料往往存在各种变形和缺陷。现有的建模方法有的只基于理论模型，有的只基于XCT切片，通过识别后，进行插值建模。目前国内结合理论模型和XCT技术，对三维编织复合材料建模的研究较少，有待进一步进行研究。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种三维编织复合材料预制体结构的识别与建模方法，实现三维编织材料模型的高精度重建。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三维编织复合材料预制体结构的识别与建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据预设几何参数建立三维编织复合材料单胞理论模型；

步骤二、利用XCT技术获得三维编织复合材料的XCT切片图；

步骤三、选择XCT切片图中用于建模的与单胞理论模型相对应的局部XCT切片图；

步骤四、对局部XCT切片图进行阈值处理；

步骤五、对经过阈值处理后的局部XCT切片图进行噪点去除；

步骤六、将上一步经过处理后的局部XCT切片图中的像素值与预设几何参数的理论切片图的像素值进行比较计算，得出差异值；

步骤七、更改单胞理论模型预设值，通过优化算法获得几何参数最优解。