[发明专利]基于Micro-CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法

摘要

基于Micro‑CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，本发明涉及非均匀Voxel网格离散方法。本发明是要解决三维编织复合材料细观结构原位建模以及较难的网格离散问题，本发明是通过一、得到灰度片层图像的二值图像；二、确定纤维束的横截形状；三、根据纤维束路径得到纤维束局部坐标信息；四、确定在每个纤维束截面中心点的沿纤维束路径的局部坐标方向；五、生成三维编织复合材料细观织构的几何模型；六、得到纤维束边界处和基体边界处的Voxel网格；七、界定新的Voxel网格属于纤维束还是属于基体；八、离散成非均匀的Voxel网格等步骤实现的。本发明应用于具有复杂编织结构的三维编织复合材料有限元建模领域。

主权项

1.基于Micro‑CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、基于Micro‑CT片层扫描三维编织复合材料内部编织结构，识别扫描不同灰度的片层图像，通过灰度片层图像中不同的纤维束与基体材料灰度值，统计纤维束和基体的阈值直方图，确定区域分割阈值，根据区域分割阈值得到灰度片层图像的二值图像；其中，灰度片层图像的二值图像包括基体区域和纤维束内部区域；步骤二、对片层图像的二值图像进行去噪处理后，光滑基体区域和纤维束内部区域的边界，将光滑后的纤维束边界进行几何矢量化处理，利用距离法和缩减坐标法确定多边形描述光滑后的每根纤维束的横截形状；所述方法如下：(1)、设定一个阈值t；连接光滑的纤维束边界中相距最远的两个像素点；这两个像素点形成第n条分割线ln，分割线将光滑的纤维束的闭合边界分成两个部分，求出两部分中任意一部分所有像素点到分割线的距离，记录下像素点到分割线的最大距离及相应的像素点；若最大距离小于阈值t，则认为第n条分割线ln代表这一部分的边界；(2)、若最大距离大于阈值t，则记录下到分割线的最大距离的像素点分别与第n‑1条分割线ln‑1的两个端点连线，形成两条新的分割线；(3)、根据两条新的分割线之间的区间，确定区间内纤维束边界上的像素点到新的分割线的距离最大的像素点1；如果该最大距离大于阈值t，则连接该像素点1与新分割线两端点的像素，形成两条新的分割线，重复步骤(2)～(3)；直到计算出每个区间内像素点到分割线距离均小于阈值t为止，那么此时形成的闭合的分割线便是代表分界面图像的多边形；(4)、采用缩减坐标法去除过多的多边形节点，最后剩下的坐标点组成多边形，由多边形确定每根纤维束区域的横截形状；步骤三、提取由多边形确定纤维束的横截面信息，通过连续断层上相邻纤维束截面中心点连线确定纤维束路径，根据纤维束路径得到纤维束局部坐标信息；其中，纤维束几何信息包括纤维束路径、纤维束截面以及纤维束局部坐标信息；步骤四、结合纤维束局部坐标信息以及提取连续断层上的纤维束截面信息，确定垂直于纤维束路径的纤维束截面信息；根据步骤三中纤维束路径坐标值(x,y,z)确定在每个纤维束截面中心点的沿纤维束路径的局部坐标方向；步骤五、根据纤维束的几何信息生成三维编织复合材料细观织构的几何模型；步骤六、利用Voxel网格对三维编织复合材料细观织构的几何模型进行离散，确定纤维束Voxel网格局部纤维束路径方向，同时得到三维编织复合材料内部每根纤维束边界处的Voxel网格和基体边界处的Voxel网格；步骤七、识别需要在纤维束与基体边界处细化的Voxel网格，对Voxel网格进行剖分，生成新的Voxel网格；新的Voxel网格单元方向与未处理时Voxel网格单元方向一致；重复步骤六界定新的Voxel网格属于纤维束还是属于基体；步骤八、将三维编织复合材料内部纤维束与基体边界处的所有Voxel网格重复步骤六和步骤七，最终把三维编织复合材料复杂的细观几何织构离散成非均匀的Voxel网格。