[发明专利]一种基于S2层螺旋微纤的木材纤维同心椭圆模型建模方法

说明书

本发明公开了一种基于S2层螺旋微纤的木材纤维同心椭圆模型建模方法，涉及木材纤维几何建模领域。主要步骤包括：根据纤维横截面SEM图像计算纤维壁腔比；结合壁腔比以及纤维分层占比计算纤维各层椭圆尺寸；建立S2层椭圆式螺旋微纤结构；将S2椭圆层进行螺旋挖槽；将各层装配成同心椭圆纤维模型。其中，S2层微纤的纤维角对纤维的机械性能有重大影响，所以模型将之基于进来，使得模型更加符合真实的几何形态。此模型可应用于单根木材纤维的弹性力学与热力学等性能的有限元仿真。

技术领域

本发明属于木材微观结构领域，涉及单根木材纤维的几何结构及其建模技术领域，具体涉及一种基于S2层螺旋微纤的木材纤维同心椭圆模型建模方法。

背景技术

木材纤维自古以来应用甚广，其最广泛的应用在于纸浆造纸，由于其可再生、无污染、含量丰富等优点，一致以来都备受关注。木材纤维的细观结构早已被研究透彻：纤维素大分子聚集成原细纤维，若干原细纤维聚集成亚微细纤维，若干亚为细纤维再组成微细纤维(下文称微纤)。亚微细纤维之间有半纤维素，微纤外层是一层薄薄的木质素。木材纤维从里到外由空腔、S3、S2、S1和P层组成，而各层均由微纤与半纤维素、木质素组成。

针对木材的宏观性能研究很多，但是针对细观尺度下单根纤维的结构建模研究则相对缺乏。不少学者提出了木材纤维的简化模型，都对纤维各层中微纤的分布进行了大大的简化。但是至今没有学者提出将微纤直接在单根纤维模型中建立的方法。现有专利也没有公开针对木材纤维细观结构建模的方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于S2层螺旋微纤的木材纤维同心椭圆模型建模方法。此基于S2层螺旋微纤的木材纤维同心椭圆模型建模方法通过纤维横截面图像计算壁腔比，进而确定纤维椭圆模型尺寸，在S2层中镶嵌螺旋微纤以还原纤维真实形貌，最终建立一个含螺旋微纤的单根纤维的同心椭圆模型，以判断木材纤维的机械性。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于S2层螺旋微纤的木材纤维同心椭圆模型建模方法，木材纤维从里到外由空腔、S3层、S2层、S1层和P层组成，包括以下步骤：

1)根据木材纤维横截面SEM图像计算壁腔比，即由S3层、S2层、S1层和P层构成的纤维壁与空腔之间的比值；

2)结合壁腔比以及S3层、S2层、S1层和P层的各层占比计算S3层、S2层、S1层和P层的各层椭圆尺寸；

3)基于S2层，建立椭圆式螺旋微纤结构；

4)将S2层进行螺旋挖槽，且此槽与螺旋微纤结构匹配；

5)将S3层、已经螺旋挖槽的S2层、S1层和P层与螺旋微纤结构装配成同心椭圆纤维模型。

优选的，步骤1)中，对纤维壁横截面的SEM图像进行了二值化与等效圆环转换，进而计算壁腔比R_wl，具体过程如下：

1.1)使用自动阈值对SEM图像进行二值化处理，得到纤维横截面的二值图像BW；

1.2)根据二值图像BW，统计空腔域面积S_L与纤维壁域总面积S_F；

1.3)将空腔视作圆环内圆，将纤维壁视作外圆，根据公式计算空腔等效圆半径R_L和纤维壁等效圆半径R_F；

1.4)计算壁腔比：

R_wl＝T_wall/R_L＝(R_F-R_L)/R_L，