基于圖像提取的炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于圖像提取的炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法，用于解決現(xiàn)有炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法精度差的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是基于炭/炭復(fù)合材料PLM(偏光圖像)圖像，采用圖像計(jì)算手段獲得各微觀結(jié)構(gòu)的信息參數(shù)，將這些微觀結(jié)構(gòu)作為夾雜相依次引入解析力學(xué)模型中，使用固體缺陷力學(xué)的夾雜理論求解其等效彈性性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分相炭/炭復(fù)合材料彈性性能的準(zhǔn)確、高效的預(yù)測(cè)。由于采用偏光圖像獲得炭/炭復(fù)合材料纖維和孔隙等微觀結(jié)構(gòu)的信息，所建立的力學(xué)模型更加精準(zhǔn)，更加接近實(shí)際情況。纖維束分布、纖維體積分?jǐn)?shù)、孔隙體積分?jǐn)?shù)以及分布等影響炭/炭復(fù)合材料等效彈性模量的重要參數(shù)通過(guò)計(jì)算獲得，而不需要假設(shè)。
【專利說(shuō)明】
基于圖像提取的炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法，特別設(shè)及一種基于圖像提取 的炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 炭/炭復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度、高比剛度、良好高溫力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越 多的應(yīng)用在航天宇航等領(lǐng)域，被認(rèn)為是未來(lái)能夠在超高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間服役最有發(fā)展前景 的熱結(jié)構(gòu)材料，因此具有重要的國(guó)防戰(zhàn)略價(jià)值。但是由于該材料往往具有各向異性的特點(diǎn)， 因此其力學(xué)性能預(yù)測(cè)往往較為復(fù)雜。綜上，一種能夠快速準(zhǔn)確的計(jì)算該復(fù)合材料彈性參數(shù) 的方法將具有重要的意義?？蒞在一定程度上減少試驗(yàn)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期。
[0003] 對(duì)于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效性能的研究主要有實(shí)驗(yàn)法、解析法和數(shù)值模擬 法，實(shí)驗(yàn)法是根據(jù)ASTM(Ame;rican Society of Testing Materials)等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān) 要求對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，從試驗(yàn)結(jié)果曲線中得到所需要的參數(shù)。在此過(guò)程中，需要按 照一定的標(biāo)準(zhǔn)制備試樣，通常工作量較大。此外對(duì)于具有獨(dú)立彈性參數(shù)較多的復(fù)合材料而 言，通過(guò)實(shí)驗(yàn)法對(duì)其性能進(jìn)行研究就顯得更為困難。
[0004] 有限元數(shù)值模擬已經(jīng)被證明是一種有效的分析手段。文獻(xiàn)1"申請(qǐng)公布號(hào)是 104537259A的中國(guó)發(fā)明專利"公開(kāi)了一種使用XCT技術(shù)對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)信息 進(jìn)行提取，并建立有限元模型。但是對(duì)于炭/炭復(fù)合材料而言，由于孔隙微觀結(jié)構(gòu)的存在，運(yùn) 會(huì)給模型建立和計(jì)算帶來(lái)較大的難度，往往受到計(jì)算機(jī)能力限制而不能普遍使用。
[0005] 除此之外，文獻(xiàn)2"TSUKR0V I ,et al .Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2005,12( 1):43-54"公開(kāi)了一種采用基于Eshe化y張量的固體缺陷力學(xué)夾雜理 論的方法，預(yù)測(cè)了炭/炭復(fù)合材料的彈性性能，但是由于CVI工藝的特殊性，通常該材料的微 觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除了纖維相和基體相之外，在基體中還分布著不均勻的孔桐結(jié)構(gòu)，纖維和孔桐 結(jié)構(gòu)對(duì)材料等效彈性模量的影響較大?；谏鲜鑫墨I(xiàn)中對(duì)該材料微觀結(jié)構(gòu)的假設(shè)很難考慮 到運(yùn)些因素。因此，文獻(xiàn)中所述的解析算法在彈性參數(shù)預(yù)測(cè)時(shí)會(huì)與實(shí)驗(yàn)值存在偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法精度差的不足，本發(fā)明提供一種 基于圖像提取的炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法。該方法基于炭/炭復(fù)合材料PLM(偏光圖 像)圖像，采用圖像計(jì)算手段獲得各微觀結(jié)構(gòu)的信息參數(shù)，將運(yùn)些微觀結(jié)構(gòu)作為夾雜相依次 引入解析力學(xué)模型中，使用固體缺陷力學(xué)的夾雜理論求解其等效彈性性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分 相炭/炭復(fù)合材料彈性性能的準(zhǔn)確、高效的預(yù)測(cè)。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案:一種基于圖像提取的炭/炭復(fù)合材料 彈性性能預(yù)測(cè)方法，其特點(diǎn)是包括W下步驟：
[000引步驟一、將所要分析的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行多組PLM拍攝，獲得每張圖像的像素信 息；
[0009] 步驟二、將所拍攝的多組圖像分別進(jìn)行去除噪點(diǎn)、調(diào)整對(duì)比W及平滑濾波處理，采 用自適應(yīng)闊值算法確定圖像的闊值；
[0010] 步驟Ξ、設(shè)每張圖像的像素尺寸為長(zhǎng)A像素、寬B像素，每個(gè)像素的灰度范圍是0~ 255，義用（i，j，k) (i E (0，B-1)，j E (0，A-1)，kE (0，N-1))來(lái)表不第k+1張圖像，第j+1行，第 i+1列像素。將步驟二調(diào)整后圖像的像素建立灰度值數(shù)組PixeHda化}，數(shù)組中的poxeUA* B*k+A* j+i ]元素表示像素（i，j，k)的灰度值；
[0011] 步驟四、根據(jù)步驟二計(jì)算結(jié)果確定的闊值，對(duì)炭/炭復(fù)合材料纖維區(qū)域進(jìn)行識(shí)別并 提取，更新像素灰度數(shù)組PixeUdata}。在此基礎(chǔ)上再次使用步驟二的自適應(yīng)闊值算法確定 孔隙結(jié)構(gòu)的闊值，將孔隙輪廓將進(jìn)行識(shí)別提取。再次更新步驟Ξ中不同組分區(qū)域相應(yīng)的灰 度值。
[0012] 步驟五、根據(jù)步驟四的計(jì)算結(jié)果，分別獲得炭/炭復(fù)合材料基體相、纖維相及孔隙 相的灰度值為GVM、GVF及GVP。根據(jù)不同灰度值分別計(jì)算纖維相和孔隙相的體積分?jǐn)?shù)為
,并統(tǒng)計(jì)孔隙相結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)徑比 范圍λ。
[0013] 步驟六、建立炭/炭復(fù)合材料的微觀力學(xué)模型，其中孔隙相Ωι，熱解碳基體和纖維 相D-Ω。在該模型的外表面τ上的X位置處作用一外加載荷P，e為該模型外表面τ的單位外法 向量。炭/炭復(fù)合材料的微觀力學(xué)模型的應(yīng)力和應(yīng)變表達(dá)如下
[0016] 定義基體相和孔隙夾雜相的剛度張量分別為Ν和Ν*。其柔度張量分別為M = ri和Μ* 二護(hù)^。根據(jù)固體缺陷力學(xué)的理論
[0017]
戰(zhàn)
[001引其中，Aeu = cKVE:(T，cKVE為夾雜相的柔度貢獻(xiàn)張量，由于孔隙夾雜相為均質(zhì)同性 材料，此處的A ευ和均為對(duì)稱二階張量，所WcKVE是和應(yīng)力應(yīng)變張量具有相同的對(duì)稱特性 的四階張量。因此有
所W此處的貢獻(xiàn)張量為
[0019]
[0020] 根據(jù)定義關(guān)于Eshelby張量Sijki函數(shù)的四階張量Qiiki和Rijki，其中，Qijki = Nijrs (Irskl-Srskl )，Rijkl二SijmnMmnkl。所W夾雜相的柔度貝獻(xiàn)張重為
[002。cRVE = vi[(M*-M)-i+Q]-i Qe[l，N]) (5)
[0022] 步驟屯、炭/炭復(fù)合材料中孔隙結(jié)構(gòu)具有不同的形狀，故使用不同取向和尺寸比例 的楠球?qū)ζ溥M(jìn)行近似，孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)為Ar (ai，λ )其中，曰1 =曰2 = a = λ33。孔隙的取向分布函 數(shù)為
[0023]
(§)
[0024] 其中，Ψι(α)、Ψι(β)、Ψι( Φ )分別表示該楠球在局部坐標(biāo)下關(guān)于Ξ個(gè)坐標(biāo)軸的投 影分布角度。
[002引根據(jù)楠球夾雜的Ε S h e 1 b y張量表達(dá)S i j k 1。寫(xiě)出孔隙的柔度貢獻(xiàn)張量
。因此含孔等效基體的柔度張量的表達(dá)式為
[0028] 步驟八、將炭/炭復(fù)合材料的纖維相作為夾雜相帶入步驟屯所得到的等效基體之 中，纖維相的柔度貢獻(xiàn)張量^
其中， hi和h2根據(jù)不同纖維取向分布的Mori-化naka的表達(dá)式得到。
[0029] 因此整體的柔度貢獻(xiàn)張量為
[0030] Meff=M6fM+cf (8)
[0031 ]故炭/炭復(fù)合材料彈性性能參數(shù)根據(jù)整體柔度矩陣的分量表示。
[0032] 本發(fā)明的有益效果是:該方法基于炭/炭復(fù)合材料PLM(偏光圖像）圖像，采用圖像 計(jì)算手段獲得各微觀結(jié)構(gòu)的信息參數(shù)，將運(yùn)些微觀結(jié)構(gòu)作為夾雜相依次引入解析力學(xué)模型 中，使用固體缺陷力學(xué)的夾雜理論求解其等效彈性性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分相炭/炭復(fù)合材料彈 性性能的準(zhǔn)確、高效的預(yù)測(cè)。由于采用偏光圖像獲得炭/炭復(fù)合材料纖維和孔隙等微觀結(jié)構(gòu) 的信息，所建立的力學(xué)模型更加精準(zhǔn)，更加接近實(shí)際情況。纖維束分布、纖維體積分?jǐn)?shù)、孔隙 體積分?jǐn)?shù)W及分布等影響炭/炭復(fù)合材料等效彈性模量的重要參數(shù)通過(guò)計(jì)算獲得，而不需 要假設(shè)。計(jì)算炭/炭復(fù)合材料等效性能，只需該材料部分結(jié)構(gòu)即可，通過(guò)對(duì)其所拍攝的偏光 圖像進(jìn)行分析獲得相應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，就可W計(jì)算出其剛度性能，簡(jiǎn)單易行。
[0033] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1是CVI工藝制備的炭/炭復(fù)合材料偏光圖像；
[0035] 圖2是預(yù)處理后的PLM圖像；
[0036] 圖3是根據(jù)灰度值將纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取后的圖像；
[0037] 圖4根據(jù)灰度數(shù)不同，將孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取后的圖像；
[0038] 圖5是所建立的微觀力學(xué)模型原理簡(jiǎn)圖；
[0039] 圖6是局部坐標(biāo)下的孔隙結(jié)構(gòu)和分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 參照?qǐng)D1-6。本發(fā)明基于圖像提取的炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法具體步驟如 下：
[0041] 步驟1:將所分析的炭/炭復(fù)合材料試樣進(jìn)行多組PLM(偏光顯微圖像）拍攝(如圖1 所示），并獲得每張圖像的像素信息；
[0042] 圖1是采用CVI工藝制備的單向預(yù)制體增強(qiáng)炭/炭復(fù)合材料的偏光圖像。增強(qiáng)相為 T700碳纖維，基體為熱解碳基體，碳纖維和基體的彈性參數(shù)如下：Eii = 230Gpa,E22 = E33 = 15Gpa，Gi2 = Gi3 = 9Gpa，G23 = 9.5Gpa，yi2 = yi3 = 0.2，μ23 = 0.23?；w的彈性參數(shù)為：E = 32.8Gpa，μ = 0.159;并對(duì)該復(fù)合材料的橫觀彈性模量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果為13.5Gpa。
[0043] 步驟2:將所拍攝的N組照片分別進(jìn)行去除噪點(diǎn)、調(diào)整對(duì)比W及平滑濾波處理(如圖 2所示）；采用自適應(yīng)闊值算法確定圖像的闊值；
[0044] 步驟3:設(shè)每張圖像的像素尺寸為長(zhǎng)A像素、寬B像素，每個(gè)像素的灰度范圍是0~ 255，義用（i，j，k) (i E (0，B-1)，j E (0，A-1)，kE (0，N-1))來(lái)表不第k+1張圖像，第j+1行，第 i+1列像素。將步驟2調(diào)整后圖像的像素建立灰度值數(shù)組PixeUda化}，數(shù)組中的poxeUA地* k+A* j+i ]元素表示像素 (i，j，k)的灰度值；
[0045] 步驟4:根據(jù)步驟2中計(jì)算結(jié)果確定的闊值，對(duì)纖維區(qū)域進(jìn)行識(shí)別并提取(如圖3所 示），更新像素灰度數(shù)組PixeUda化}。在此基礎(chǔ)上再次使用步驟2的自適應(yīng)闊值算法確定孔 隙結(jié)構(gòu)的闊值，將孔隙輪廓將進(jìn)行識(shí)別提取(如圖4所示）。再次更新步驟3中不同組分區(qū)域 相應(yīng)的灰度值。
[0046] 步驟5:根據(jù)步驟4中的計(jì)算結(jié)果，分別獲得基體相、纖維相及孔隙相的灰度值為 GVM、GVF、GVP。根據(jù)不同灰度值分別計(jì)算纖維相和孔隙相的體積分?jǐn)?shù)為
并統(tǒng)計(jì)圖中孔 隙結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)徑比范圍λ￡(0.2,7.5)。
[0047] 步驟6:建立該材料的微觀力學(xué)模型（如圖5所示），其中孔隙相（Ωι)，熱解碳基體 和纖維相(D-Ω)。在該模型的外表面τ上的X位置處作用一外加載荷P，e為該外表面τ的單位 外法向量。所W整個(gè)模型的應(yīng)力和應(yīng)變表達(dá)如下
[0050] 定義基體相和孔隙夾雜相的剛度張量分別為Ν和滬。其柔度張量分別為M=ri和r = Ν^。根據(jù)固體缺陷力學(xué)的理論
[0化1 ]
掛
[00對(duì)其中，A eu = cKW:(T，cKVE為夾雜相的柔度貢獻(xiàn)張量，由于孔隙夾雜相為均質(zhì)同性 材料，此處的A ευ和均為對(duì)稱二階張量，所WcKVE是和應(yīng)力應(yīng)變張量具有相同的對(duì)稱特性 的四階張量。因此有：
，所W此處的貢獻(xiàn)張量為。
[0化3]
纖
[0054]根據(jù)定義關(guān)于Eshelby張量Sijki函數(shù)的四階張量Qijki和Rijki，其中，Qijki = Nijrs (Irskl-Srskl )，Rijkl二SijmnMmnkl。所W夾雜相的柔度貝獻(xiàn)張重為
[0化5]
[0056] 步驟7:因?yàn)樵谔?炭復(fù)合材料中孔隙結(jié)構(gòu)往往具有不同的形狀，在此處使用不同 取向和尺寸比例的楠球?qū)ζ溥M(jìn)行近似，孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)為Ar(ai，λ)，其中ai =曰2 = a = λ33?？?隙的取向分布函數(shù)為。
[0057]
終）
[005引其中Ψl(α)、Ψl(β)、Ψl(Φ)分別表示該楠球在局部坐標(biāo)下關(guān)于Ξ個(gè)坐標(biāo)軸的投 影分布角度(如圖6所示）。
[0059] 根據(jù)楠球夾雜的Ε S h e 1 b y張量表達(dá)S i j k 1。寫(xiě)出孔隙的柔度貢獻(xiàn)張量
因此含孔等效基體的柔度張量的表達(dá)式為
[0062] 步驟8:將纖維相作為夾雜相帶入步驟7所得到的等效基體之中，纖維相的柔度貢 獻(xiàn)張量巧
其中hi和h2則根據(jù)不同纖 維取向分布的Mori-Tanaka的表達(dá)式而來(lái)。
[0063] 因此整體的柔度貢獻(xiàn)張量為
[0064]
[0065] 該材料的各項(xiàng)彈性性能參數(shù)則根據(jù)整體柔度矩陣的分量來(lái)進(jìn)行表示。所W其橫觀 彈性模量天
與所測(cè)試結(jié)果13.5Gpa相差6%，結(jié)果吻合較好。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于圖像提取的炭/炭復(fù)合材料彈性性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一、將所要分析的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行多組PLM拍攝，獲得每張圖像的像素信息； 步驟二、將所拍攝的多組圖像分別進(jìn)行去除噪點(diǎn)、調(diào)整對(duì)比以及平滑濾波處理，采用自 適應(yīng)閾值算法確定圖像的閾值； 步驟三、設(shè)每張圖像的像素尺寸為長(zhǎng)A像素、寬B像素，每個(gè)像素的灰度范圍是0~255， 米用（1，」，1〇(;[￡(〇，13-1)，_]_￡(〇，厶-1)，1<：￡(〇，1'}-1))來(lái)表不第1<:+1張圖像，第]_+1行，第1+1 列像素;將步驟二調(diào)整后圖像的像素建立灰度值數(shù)組Pixel {data}，數(shù)組中的poxel [A*B*k +A* j + i ]元素表示像素（i，j，k)的灰度值； 步驟四、根據(jù)步驟二計(jì)算結(jié)果確定的閾值，對(duì)炭/炭復(fù)合材料纖維區(qū)域進(jìn)行識(shí)別并提 取，更新像素灰度數(shù)組Pixel{data};在此基礎(chǔ)上再次使用步驟二的自適應(yīng)閾值算法確定孔 隙結(jié)構(gòu)的閾值，將孔隙輪廓將進(jìn)行識(shí)別提取;再次更新步驟三中不同組分區(qū)域相應(yīng)的灰度 值； 步驟五、根據(jù)步驟四的計(jì)算結(jié)果，分別獲得炭/炭復(fù)合材料基體相、纖維相及孔隙相的 灰度值為GVM、GVF及GVP;根據(jù)不同灰度值分別計(jì)算纖維相和孔隙相的體積分?jǐn)?shù)為;并統(tǒng)計(jì)孔隙相結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)徑比 范圍λ; 步驟六、建立炭/炭復(fù)合材料的微觀力學(xué)模型，其中孔隙相Ω i，熱解碳基體和纖維相D-Ω ;在該模型的外表面τ上的X位置處作用一外加載荷P，e為該模型外表面τ的單位外法向 量;炭/炭復(fù)合材料的微觀力學(xué)模型的應(yīng)力和應(yīng)變表達(dá)如下定義基體相和孔隙夾雜相的剛度張量分別為Ν和Ν%其柔度張量分別為Μ = Ν4和if = Ν μ;根據(jù)固體缺陷力學(xué)的理論其中，△ h = CRVE:〇°°，CRVE為夾雜相的柔度貢獻(xiàn)張量，由于孔隙夾雜相為均質(zhì)同性材料， 此處的A ^和#均為對(duì)稱二階張量，所以CRVE是和應(yīng)力應(yīng)變張量具有相同的對(duì)稱特性的四 階張量;因此有，所以此處的貢獻(xiàn)張量為根據(jù)定義關(guān)于Eshe lby張量Sijki函數(shù)的四階張量Qijki和Ri jki，其中，Qi jki = Nijrs (Irski-Srskl)，Rijkl = SijmnMmnkl;所以?shī)A雜相的柔度貝獻(xiàn)張里為 CRVE = vi[(M*-M)-hQ]-1 (ie[l，N]) (5) 步驟七、炭/炭復(fù)合材料中孔隙結(jié)構(gòu)具有不同的形狀，故使用不同取向和尺寸比例的橢 球?qū)ζ溥M(jìn)行近似，孔隙的結(jié)構(gòu)參數(shù)為Ar(ai，λ)，其中，ai = a2 = a = Aa3;孔隙的取向分布函數(shù) 為(€〇隊(duì)(0)、機(jī)（?)分別表示該橢球在局部坐標(biāo)下關(guān)于三個(gè)坐標(biāo)軸的投影分布角度；根據(jù)橢球夾雜的Eshelby張量表達(dá)Sijki;寫(xiě)出孔隙的柔度貢獻(xiàn)張量 因此含孔等效基體的柔度張量的表達(dá)式為步驟八、將炭/炭復(fù)合材料的纖維相作為夾雜相帶入步驟七所得到的等效基體之中，纖 維相的柔度貢獻(xiàn)張量，其中，hi和h2 根據(jù)不同纖維取向分布的Mor i -Tanaka的表達(dá)式得到； 因此整體的柔度貢獻(xiàn)張量為 Meff=MefM+Cf (8) 故炭/炭復(fù)合材料的各項(xiàng)彈性性能參數(shù)根據(jù)整體柔度矩陣的分量表示。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK105825507SQ201610152529
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月17日
【發(fā)明人】齊樂(lè)華, 晁許江, 潘廣鎮(zhèn), 朱江順, 宋永善, 李賀軍
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)