一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法，包括以下步骤，步骤一、利用XCT技术获得2.5维编织复合材料经向、纬向切片图；步骤二、对步骤一中获取的切片图进行中值滤波处理相关噪点；步骤三、对步骤二中获得的图像进行自适应阈值分割；步骤四、对步骤三种获得图像进行边缘检测，识别经纱、纬纱边界；步骤五、对步骤四中获取的图像进行轮廓提取与跟踪；步骤六、对步骤五获取的图像进行轮廓奇异点的消除；步骤七：对步骤六获取的图像进行参数获取。对于工业CT技术的图像进行技术处理和改进，使获取的单胞模型几何结构参数更客观，排除因其他因素造成的测量误差。排除因其他因素造成的测量误差。排除因其他因素造成的测量误差。

【技术实现步骤摘要】
一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，具体为一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法。

技术介绍

[0002]2.5维编织复合材料通过编织工艺将纤维束编织成预制体，其结构上有纬纱、经纱、经向增强衬经纱和基体。由于接结经纱与纬纱之间的交织，其在层间性能上相对层合板更加优异。编织复合材料由于其复杂的内部结构，在对其获取材料内部应力、应变场，分析材料内部细观变形与破坏机制时，需要充分考虑其内部由于纱线交织产生的不均匀性，因此首先需要建立能反映材料真实细观结构的数学模型。而一般建立复合材料细观数值模型有两种思路，一种是对材料的真实结构进行模拟，采用显微设备或者CT扫描技术得到材料细观尺度图像，重构其真实细观结构，但这种方法技术难度较大，后期计算量很大，具有复杂结构的材料要求模型网格较小，消耗的计算时间巨大。而另一种是采用周期性假设，把真实材料进行一定的近似处理。在细观层次上，复合材料具有一定的周期性，在合适的尺度下选取一个单胞作为细观结构的代表性单元，然后对单胞进行分析与模拟，进而评价整个材料的宏观性能。这种方法计算量较少，可以从简单的计算中获取相对精确的结果。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法，对于工业CT技术的图像进行技术处理和改进，使获取的单胞模型几何结构参数更客观，排除因其他因素造成的测量误差。
[0004]为达到上述目的，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一、利用XCT技术获得2.5维编织复合材料经向、纬向切片图；
[0007]步骤二、对步骤一中获取的切片图进行中值滤波处理相关噪点；
[0008]步骤三、对步骤二中获得的图像进行自适应阈值分割；
[0009]步骤四、对步骤三种获得图像进行边缘检测，识别经纱、纬纱边界；
[0010]步骤五、对步骤四中获取的图像进行轮廓提取与跟踪；
[0011]步骤六、对步骤五获取的图像进行轮廓奇异点的消除；
[0012]步骤七：对步骤六获取的图像进行参数获取；
[0013]步骤八：对切片图内经纱轨迹与纬纱轮廓采用余弦函数曲线模拟，建立经纱纬纱二维结构模型；
[0014]步骤九：由步骤八得到的2.5维编织复合材料二维结构图，利用电脑软件进行三维拉伸得到纬纱平直的2.5维编织复合材料三维模型；
[0015]步骤十：利用电脑软件对步骤九中得到的纬纱平直的2.5维编织复合材料三维模型进行网格离散，最终建立2.5维编织复合材料几何模型。
[0016]本专利技术进一步设置为，所述步骤一中，XCT所拍摄的切片图包含一个以上的单胞结构，在XCT所拍摄的切片图中，对2.5维编织复合材料内层纬纱截面采用双透镜假设，2.5维编织复合材料表层未与经纱交织的纬纱截面采用矩形截面假设，2.5维编织复合材料表层与经纱交织的纬纱截面采用双透镜假设。
[0017]本专利技术进一步设置为，所述步骤二具体为，
[0018]设切片图的各点灰度值形成一维数组p1,p2,...p
n
，以及设点数是一个奇数k的检测窗口，
[0019]从数组中选取k个数值p
i
‑
l
,...,p
i
‑1,p
i
,p
i+1
,...,p
i+l
，i为中间像素点的标号，所述p
i
为中心像素点值，
[0020]将这k个数值按升序排列，去中间值为滤波装置完成后的输出值，通过表达式表示为，
[0021]y
i
＝Med{p
i
‑
l
,...,p
i
,...,p
i+l
}
[0022]式中，Med{}为滤波操作，
[0023]通过广义化一维的数组操作，得到二维数组的中值滤波操作，通过表达式表示为，
[0024][0025]式中，中间参数A是滤波窗口范围，P
ij
是二维数组。
[0026]本专利技术进一步设置为，所述步骤三具体为，
[0027]选取一个阈值作为标定值，当像素点的值大于等于该标定值时，将其转换为黑色，相反当像素点的值小于该值时，将其转换为白色，
[0028]其中，所述阈值定义如下，
[0029]从待检测区域中选取一块中间块为实时像素值，周边块中的P是邻域块中的一个，选取小范围周围邻域块中的一个最大灰度取值设为B，小范围周围邻域块中的最小灰度值设为C，则可以采用如下公式获取阈值T，
[0030][0031]或者采用可信度高的阈值T公式，
[0032][0033]式中，P
i
为第i个邻域块。
[0034]本专利技术进一步设置为，所述步骤四具体为，
[0035]采用Canny算子作为边缘检测基本算法，对二值化图像进行边缘检测处理，
[0036]使用二维高斯函数的一阶导数，对图像进行平滑，
[0037]设二维高斯函数为，
[0038][0039]式中，σ为协方差，描述各维变量的相关度，x为中心点横坐标，y为中心点纵坐标，
[0040]二维高斯函数梯度矢量为，
[0041][0042]式中，为对x求偏导，对y求偏导，
[0043]把梯度矢量的两个滤波卷积模板分解为2个一维的行列滤波器，
[0044][0045][0046]式中，m、n为求偏导数所得系数，
[0047]用这两个行列滤波器与图像进行卷积，得到平滑图像I(x,y)，
[0048][0049]式中，f(x,y)为原图像，
[0050]计算平滑图像I(x,y)内每个像素I(i,j)在x方向一阶偏微分H
x
和y方向的一阶偏微分H
y
，以及梯度的大小M(i,j)和方向O(i,j)，
[0051][0052][0053][0054]O(i,j)＝arctan(I
y
(i,j)/I
x
(i,j))
[0055]比较像素I(i,j)与周围邻近像素的梯度值大小，若不是局部极大值，则将该点的像素值重置为0，实现对梯度图像进行非极大值抑制，
[0056]对于经过非极大值抑制的图像使用双阈值th1和th2(th2＝(2～3)th1)进行分割，阈值th1得到图像A，阈值th2(th2＝(2～3)th1)得到图像B，根据图像A的信息，对图像B进行边缘的连接。
[0057]本专利技术进一步设置为，所述步骤五具体为，
[0058]针对图像的断边、分枝、毛刺现象，设定边界轮廓的提取规则，并进行轮廓提取与跟踪，所述边界轮廓的提取规则为，
[0059]假设背景像素灰度值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、利用XCT技术获得2.5维编织复合材料经向、纬向切片图；步骤二、对步骤一中获取的切片图进行中值滤波处理相关噪点；步骤三、对步骤二中获得的图像进行自适应阈值分割；步骤四、对步骤三种获得图像进行边缘检测，识别经纱、纬纱边界；步骤五、对步骤四中获取的图像进行轮廓提取与跟踪；步骤六、对步骤五获取的图像进行轮廓奇异点的消除；步骤七：对步骤六获取的图像进行参数获取；步骤八：对切片图内经纱轨迹与纬纱轮廓采用余弦函数曲线模拟，建立经纱纬纱二维结构模型；步骤九：由步骤八得到的2.5维编织复合材料二维结构图，利用电脑软件进行三维拉伸得到纬纱平直的2.5维编织复合材料三维模型；步骤十：利用电脑软件对步骤九中得到的纬纱平直的2.5维编织复合材料三维模型进行网格离散，最终建立2.5维编织复合材料几何模型。2.根据权利要求1所述的一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法，其特征在于，所述步骤一中，XCT所拍摄的切片图包含一个以上的单胞结构，在XCT所拍摄的切片图中，对2.5维编织复合材料内层纬纱截面采用双透镜假设，2.5维编织复合材料表层未与经纱交织的纬纱截面采用矩形截面假设，2.5维编织复合材料表层与经纱交织的纬纱截面采用双透镜假设。3.根据权利要求1所述的一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法，其特征在于，所述步骤二具体为，设切片图的各点灰度值形成一维数组p1,p2,...p
n
，以及设点数是一个奇数k的检测窗口，从数组中选取k个数值p
i
‑
l
,...,p
i
‑1,p
i
,p
i+1
,...,p
i+l
，i为中间像素点的标号，所述p
i
为中心像素点值，将这k个数值按升序排列，去中间值为滤波装置完成后的输出值，通过表达式表示为，y
i
＝Med{p
i
‑
l
,...,p
i
,...,p
i+l
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，Med{}为滤波操作，通过广义化一维的数组操作，得到二维数组的中值滤波操作，通过表达式表示为，式中，中间参数A是滤波窗口范围，P
ij
是二维数组。4.根据权利要求1所述的一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法，其特征在于，所述步骤三具体为，选取一个阈值作为标定值，当像素点的值大于等于该标定值时，将其转换为黑色，相反当像素点的值小于该值时，将其转换为白色，其中，所述阈值定义如下，从待检测区域中选取一块中间块为实时像素值，周边块中的P是邻域块中的一个，选取
小范围周围邻域块中的一个最大灰度取值设为B，小范围周围邻域块中的最小灰度值设为C，则可以采用如下公式获取阈值T，或者采用可信度高的阈值T公式，式中，P
i
为第i个邻域块。5.根据权利要求1所述的一种基于像素法的2.5维编织复合材料建模方法，其特征在于，所述步骤四具体为，采用Canny算子作为边缘检测基本算法，对二值化图像进行边缘检测处理，使用二维高斯函数的一阶导数，对图像进行平滑，设二维高斯函数为，式中，σ为协方差，描述各维变量的相关度，x为中心点横坐标，y为中心点纵坐标，二维高斯函数梯度矢量为，式中，为对x求偏导，对y求偏导，把梯度矢量的两个滤波卷积模板分解为2个一维的行列滤波器，式中，m、n为求偏导数所得系数，用这两个行列滤波器与图像进行卷积，得到平滑图像I(x,y)，式中，f(x,y)为原图像，计算平滑图像I(x,y)内每个像素I(i,j)在x方向一阶偏微分H
x
和y方向的一阶偏微分H
y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晨，崔海涛，张宏建，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：