一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法技术

本发明专利技术通过提供一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法，包括：步骤S1、建立磨粒物理模型；步骤S2、将磨粒物理模型导入有限元件中转化为实体网格模型，根据实际加工情况设置合适的SPH粒子数目及尺寸，以建立SPH工件模型，并在设置仿真条件后进行仿真；步骤S3、获得具有强烈颜色对比的三维裂纹形貌云图，并对平面裂纹分布图像进行灰度变换增强处理，得到灰度图像；步骤S4、采用阈值分割法对灰度图像进行区域分割，通过统计区域像素面积、长度和角度完成裂纹分布特征参数的测量，并将测量结果可视化输出。本发明专利技术能够实现对裂纹形貌及特征参数值的预测，提高了仿真的效率，仿真结果准确性更高。准确性更高。准确性更高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法


[0001]本专利技术涉及一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法。

技术介绍

[0002]蓝宝石作为一种典型的硬脆材料，因其优异的机电、光学性能被广泛应用于半导体生长、芯片制造领域中，然而其高脆性、低韧性的难加工特性也使其在磨削加工中不可避免产生表面与亚表面损伤，这一直制约着蓝宝石更进一步地生产与应用。通常，磨削蓝宝石的加工过程中更加关注以裂纹为突出表现的工件损伤形式，对于其延伸扩展和预测的研究能够根本上减少或消除损伤加工缺陷，但由于裂纹的不易观测、加工过程不可逆等客观原因却使得通过试验手段难以深入展开对裂纹的观测与研究。
[0003]而在国内外有关蓝宝石划擦的裂纹数值模拟研究中还存在许多局限。目前，研究多是基于单颗磨粒划擦工件的模型假设，但在磨削加工中，尤其是固结磨盘磨削中，磨粒对工件的划擦微切削和多角度干涉作用是加工最显著的特征；也有采用双颗磨粒平行划擦工件来建立有限元模型，但都难以反映磨粒干涉作用带来的工件裂纹扩展变化。光滑粒子流体动力学(SPH)作为一种新型无网格有限元仿真方法，能够很好地模拟出干涉引起的剧烈裂纹扩展变化，但建立磨粒干涉SPH蓝宝石工件的模型国内外还没有过多研究。然而，基于单一有限元技术对仿真数据处理仍然很难快速获得准确有效的数据。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法，能够实现对裂纹形貌及特征参数值的预测，提高了仿真的效率，仿真结果准确性更高。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法，包括如下步骤：
[0007]步骤S1、根据划擦蓝宝石的磨粒工件的尺寸及加工特征，在三维建模软件中定义磨粒的位置分布与几何尺寸参数，以建立磨粒物理模型；
[0008]步骤S2、将磨粒物理模型导入有限元件中转化为实体网格模型，根据实际加工情况设置合适的SPH粒子数目及尺寸，以建立SPH工件模型，并在设置仿真条件后进行仿真；
[0009]步骤S3、根据步骤S2的仿真获取蓝宝石的损伤形貌云图，调整损伤形貌云图的图例数值显示范围以获得具有强烈颜色对比的三维裂纹形貌云图，对三维裂纹形貌云图进行切片处理以获取在任一时刻的平面裂纹分布图像，并对平面裂纹分布图像进行灰度变换增强处理，得到灰度图像；
[0010]步骤S4、采用阈值分割法对灰度图像进行区域分割，通过统计区域像素面积、长度和角度完成裂纹分布特征参数的测量，并将测量结果可视化输出。
[0011]进一步的，所述步骤S1中，所述磨粒的几何尺寸参数包括直径、高度和干涉角度，干涉角度范围在0
ˉ
180
°
之间。
[0012]进一步的，所述步骤S2中，采用映射方法划分规则的六面体磨粒网格，所述SPH工
件模型采用SPH粒子单元均匀排布建立。
[0013]进一步的，所述步骤S3中，所述三维裂纹形貌云图包括损伤区域和未损伤区域，设置损伤区域和未损伤区域的颜色为强烈对比色，根据工件材料的最大拉应力失效将损伤形貌云图的图例数值显示范围调整至最佳，以使三维裂纹形貌云图的损伤区域与未损区域的颜色对比最为强烈。
[0014]进一步的，所述损伤区域颜色设置为红色，所述未损伤区域颜色设置为蓝色。
[0015]进一步的，所述步骤S3中，通过OpenCV软件进行灰度变换增强处理，并通过点运算来修正像素灰度值，以得到所述灰度图像。
[0016]进一步的，所述步骤S4中，所述裂纹分布特征包括表面裂纹包络面积、最大裂纹宽度、最大裂纹深度与扩展角度。
[0017]进一步的，还包括步骤S5、根据输出的所述裂纹分布特征参数，通过调整仿真参数形成多组对比数据，以寻找最佳加工参数以抑制蓝宝石加工裂纹的扩展，其中，仿真参数包括磨粒切深、磨粒速度和磨粒干涉角度。
[0018]本专利技术具有如下有益效果：
[0019]1、本专利技术首先建立磨粒物理模型，然后在有限元软件中通过SPH方法建立蓝宝石工件的SPH工件模型，继续进行仿真设置和仿真求解，完成蓝宝石的SPH划擦仿真，仿真中通过切片方式获得平面裂纹分布图像，并对其进行灰度变换增强处理得到灰度图像，接着采用阈值分割方法对灰度图像中的裂纹延伸区域分割，最后采用可视化界面输出测定的裂纹分布特征参数，完成对裂纹延伸扩展的预测，本专利技术能够快速准确地实现对表面/亚表面裂纹形貌及特征参数值的预测，提高了仿真的效率与结果的准确性，能为磨粒干涉划擦加工中的蓝宝石裂纹扩展规律的揭示提供理论和仿真技术支持。
附图说明
[0020]下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。
[0021]图1为本专利技术的流程图。
[0022]图2为本专利技术的详细流程图。
[0023]图3
‑
a为本专利技术磨粒的网格模型图。
[0024]图3
‑
b为本专利技术蓝宝石的SPH工件模型图。
[0025]图3
‑
c为本专利技术的单颗磨粒沿X正向划擦模型图。
[0026]图3
‑
d为本专利技术的60
°
双颗磨粒干涉划擦模型图。
[0027]图4
‑
a为本专利技术的单颗磨粒沿X正向划擦的三维裂纹形貌云图。
[0028]图4
‑
b为本专利技术的60
°
双颗磨粒干涉划擦的三维裂纹形貌云图。
[0029]图5
‑
a为本专利技术的单颗磨粒沿X正向划擦的平面裂纹分布图像的区域分割处理图。
[0030]图5
‑
b为本专利技术的60
°
双颗磨粒干涉划擦的平面裂纹分布图像的区域分割处理图。
[0031]图6为本专利技术的可视化输出界面。
[0032]图7
‑
a为本专利技术单次划擦的仿真与试验的表面形貌对比图。
[0033]图7
‑
b为本专利技术干涉划擦的仿真与试验的表面形貌对比图。
[0034]图8
‑
a为本专利技术单次划擦的仿真与试验的横向力结果对比图。
[0035]图8
‑
b为本专利技术30
°
磨粒干涉的仿真与试验的横向力结果对比图。
具体实施方式
[0036]如图1和图2所示，基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法包括如下步骤：
[0037]步骤S1、根据划擦蓝宝石的磨粒工件的尺寸及加工特征，在三维建模软件中定义磨粒的位置分布与几何尺寸参数，以建立磨粒物理模型；
[0038]其中，磨粒的几何尺寸参数包括直径、高度和磨粒的干涉角度，干涉角度范围在0
ˉ
180
°
之间(如15
°
、30
°
、45
°
、60
°
、75
°本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1、根据划擦蓝宝石的磨粒工件的尺寸及加工特征，在三维建模软件中定义磨粒的位置分布与几何尺寸参数，以建立磨粒物理模型；步骤S2、将磨粒物理模型导入有限元件中转化为实体网格模型，根据实际加工情况设置合适的SPH粒子数目及尺寸，以建立SPH工件模型，并在设置仿真条件后进行仿真；步骤S3、根据步骤S2的仿真获取蓝宝石的损伤形貌云图，调整损伤形貌云图的图例数值显示范围以获得具有强烈颜色对比的三维裂纹形貌云图，对三维裂纹形貌云图进行切片处理以获取在任一时刻的平面裂纹分布图像，并对平面裂纹分布图像进行灰度变换增强处理，得到灰度图像；步骤S4、采用阈值分割法对灰度图像进行区域分割，通过统计区域像素面积、长度和角度完成裂纹分布特征参数的测量，并将测量结果可视化输出。2.根据权利要求1所述的一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述磨粒的几何尺寸参数包括直径、高度和干涉角度，干涉角度范围在0
ˉ
180
°
之间。3.根据权利要求1所述的一种基于SPH仿真与图像处理的蓝宝石裂纹预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用映射方法划分规则的六面体磨粒网格，所述SPH工件模型采用SPH粒子单元均匀...

【专利技术属性】
技术研发人员：方从富，程蔚，鲍中宇，魏绍鹏，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：