[发明专利]一种基于CT切片图像的纤维增强复合材料三维重构建模方法

说明书

本发明属于材料细观结构三维重构建模技术领域，特别涉及一种基于CT切片图像的纤维增强复合材料三维重构建模方法，包括如下步骤：1)采用CT技术，获取纤维增强复合材料细观切片图像，并转化为灰度图像；2)复合材料细观CT切片灰度图像二值化；3)二值化的材料灰度图像纤维束轮廓识别；4)材料灰度图像纤维束轮廓光滑处理；5)纤维增强复合材料细观结构三维重构。本发明专利提供了一种细观尺度三维重构建模的方法，大大降低了人工三维重构建模的成本和误差，对材料细观结构形貌和尺寸的变化可进行准确、高效的量化表征和建模，具有较好的工程推广性。

技术领域

本发明属于材料细观结构三维重构建模技术领域，特别涉及一种基于CT切片图像的纤维增强复合材料三维重构建模方法。

背景技术

纤维增强复合材料由于具有高比强度、高比刚度、低密度等优异的力学性能，在航空航天、车辆、建筑等工程领域具有广阔的应用前景。但是纤维增强复合材料细观结构复杂多变，制备过程在高温、应力和时间的作用下，纤维束会不可避免地相互挤压、扭曲、变形，形成不规则的细观编织结构，而材料的宏观性能都取决于其内部的微观、细观结构。复合材料的宏观力学性能对细观编织结构的形貌、形状等参数具有强相关性，细观结构的扭曲、变形必然会影响材料的模量和强度，危害工程应用的可靠性和安全性。

为了保证纤维增强复合材料在工程领域的安全应用，工程上必须要研究材料的细观编织特征对材料宏观力学性能的影响规律，但是现有的细观建模方法都基于一定近似、简化假设，缺乏能够表征、反映真实细观结构特征的三维重构建模方法。

中国专利CN 111063402 A公布了一种基于蒙特卡洛方法的纤维增强复合材料细观尺度几何重构方法，能够得到几何重构体中纤维的数量、填充率、平均取向和长度分布等数据，但该方法不能体现细观尺度纤维束的形貌、尺寸变化特征。国内还没有其他能够真实还原细观结构特征的重构建模方法。

随着计算机图像处理方法在材料微细观结构特征分析、提取中的广泛应用，各种图像处理算法开始应用于材料微细观组织、结构特征的提取和表征，因此基于图像算法发展一种纤维增强复合材料的三维重构建模方法，能够在大幅降低纤维增强复合材料细观结构三维重构的人工成本的同时，提高建模的精确性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于CT切片图像的纤维增强复合材料三维重构建模方法，所用到的核心图像处理算法包括孔隙填充算法和轮廓提取算法。

本发明是这样实现的，提供一种基于CT切片图像的纤维增强复合材料三维重构建模方法，包括如下步骤：

1)采用CT技术，获取纤维增强复合材料细观切片图像，并转化为灰度图像；

2)复合材料细观CT切片灰度图像二值化；

3)二值化的复合材料细观灰度图像轮廓识别与提取；

4)材料细观灰度图像轮廓光滑处理；

5)纤维增强复合材料细观结构三维重构。

优选的，步骤1)具体包括如下步骤：

利用X射线三维CT扫描技术，获得纤维增强复合材料内部不同位置的切片图像，扫描时CT切片截面与复合材料的编织主方向垂直。

进一步优选，步骤2)具体包括如下步骤：

利用阈值分割法将步骤1)获得的CT切片灰度图像转换为黑白二值图像，黑白二值图像中黑色代表纤维束，像素值为0；白色代表基体相，像素值为1。

进一步优选，步骤3)具体包括如下步骤：