[发明专利]一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法

说明书

本发明公开一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法，首先依据编织复合结构中纤维束和基体的拓扑特征进行几何建模，然后基于μCT断层扫描序列图像对拓扑特征进行辨识，提取特征的变化规律，最后对几何模型进行二次重构，完成细观结构的建模。相比于基于编织工艺参数的结构建模方式，它提高了重构模型与真实编织结构的吻合度，有助于提高后续对材料力学性能计算的准确度；而相比于直接依据μCT图像进行结构重建的方法，它简化了繁琐的点云数据处理过程，极大地降低了计算成本。

技术领域

本发明涉及一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法。

背景技术

三维编织复合材料是一种利用编织技术，把经向、纬向和法向的纤维束编织成一个整体的的复合材料，具有材料和结构一体化特征。由于免去了二次加工可能造成的损伤，所以不仅具有传统复合材料的高比强度和比刚度等良好的物理化学特性，同时避免了复合材料传统层合板的层间剪切破坏，大大提升了材料的可靠性，同时也降低了成本。因此三维编织复合材料具有极广的发展前景，是未来航空航天发展的主流材料。

随着计算机行业的发展，在复合材料力学性能研究的领域，数值模拟技术已经与传统力学实验技术并驾齐驱，成为研究问题的两种主要方法。而材料细观结构的几何建模则是数值模拟技术中最基础的部分，直接影响数值计算结果的准确性。当前大多数几何模型都针对理想化结构进行建模，不考虑实际编织结构中因为纤维束间、纤维束和基体间相互约束而造成的变形。这使得材料细观结构的计算模型与真实情况存在很大差异，导致对某些材料力学性能预测产生极大的误差，例如裂纹的扩展和材料的损伤。但是若完全按照真实材料进行详细的细观结构建模，一方面计算成本会极大地增加，另一方面可能因为某些小的尺寸缺陷导致数值计算方法难以收敛，使力学性能预测遭到失败。

复合编织材料细观建模方法主要有三类：1)一类对实际编织件进行切割，拍摄切割面，利用图像处理技术获得实际纤维束截面轮廓，然后通过CAD软件重建几何模型。但是切割不可避免地会对编制体造成破坏；2)一类是利用编织参数、纤维束编织规律，进行理想化模型的几何建模，不考虑空间纤维束的相互扭结和挤压造成的纤维束的弯曲和截面变形。但是缺乏实际依据，未考虑在实际编织过程中，纤维束与纤维束之间的相互作用对纤维束截面形状与结构的影响；3)还有一类是依据断层扫描图像直接生成点云数据，根据数据重构模型，这种建模方法过程往往十分繁琐，容易引入误差。

专利申请号为201410550663.0，发明名称为“基于CT扫描图像的MEMS结构重构与检测方法”，该发明采用工业CT技术扫描得到器件系列图像，对图像处理后得到其点云体数据，根据体数据重建表面模型，再依据表面模型重构实体模型。该方法主要关注表面形状的特征识别，应用于MEMS超小结构的无损检测。专利申请号为201110194159.8，发明名称为“一种基于序列图像的多相材料细观构造有限元重构方法”，该发明在采集、读取和插值材料序列图像的基础上，建立与图像形成映射关系的网格模型，并利用网格的构造信息确定节点和单元信息，利用图像颜色信息确定模型材料属性，从而重构有限元模型。这种方法避免了几何重构与网格划分等环节中的误差积累，但是需要处理大量的数据，计算成本很高，该方法更适合处理多相随机分布的材料。专利申请号为201610240707.9，发明名称为“一种复合材料细观结构的计算机图形识别方法”，该发明采用X光计算机断层扫描技术得到2.5维复合材料的细观结构图片；采用阈值分割技术识别出基体区域；将每个基体区域假设为扭曲的四边形结构处理，识别出每个基体区域的四条边界，并进行标记；利用基体区域完成对预制体的经、纬向纤维束的识别；最后将每一幅经过识别的图片堆叠起来，建立2.5维细观结构三维模型。这种方法的适用范围比较窄，对于复杂的如3D正交、3D4向编织结构并不可行；并且其辨识的主体是基体，没有考虑编织结构纤维束的编织特征，很容易造成模型误差。

发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法

本发明可通过以下技术方案予以解决：