基于Micro‑CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法与流程

技术特征：

1.基于Micro-CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、基于Micro-CT片层扫描三维编织复合材料内部编织结构，识别扫描不同灰度的片层图像，通过灰度片层图像中不同的纤维束与基体材料灰度值，统计纤维束和基体的阈值直方图，确定区域分割阈值，根据区域分割阈值得到灰度片层图像的二值图像；其中，灰度片层图像的二值图像包括基体区域和纤维束内部区域；

步骤二、对片层图像的二值图像进行去噪处理后，光滑基体区域和纤维束内部区域的边界，将光滑后的纤维束边界进行几何矢量化处理，由多边形确定纤维束的横截形状；

步骤三、提取由多边形确定纤维束的横截面信息，通过连续断层上相邻纤维束截面中心点连线确定纤维束路径，根据纤维束路径得到纤维束局部坐标信息；其中，纤维束几何信息包括纤维束路径、纤维束截面以及纤维束局部坐标信息；

步骤四、结合纤维束局部坐标信息以及提取连续断层上的纤维束截面信息，确定垂直于纤维束路径的纤维束截面信息；根据步骤三中纤维束路径坐标值(x,y,z)确定在每个纤维束截面中心点的沿纤维束路径的局部坐标方向；

步骤五、根据纤维束的几何信息生成三维编织复合材料细观织构的几何模型；

步骤六、利用Voxel网格对三维编织复合材料细观织构的几何模型进行离散，确定纤维束Voxel网格局部纤维束路径方向，同时得到三维编织复合材料内部每根纤维束边界处的Voxel网格和基体边界处的Voxel网格；

步骤七、识别需要在纤维束与基体边界处细化的Voxel网格，对Voxel网格进行剖分，生成新的Voxel网格；新的Voxel网格单元方向与未处理时Voxel网格单元方向一致；重复步骤六界定新的Voxel网格属于纤维束还是属于基体；

步骤八、将三维编织复合材料内部纤维束与基体边界处的所有Voxel网格重复步骤六和步骤七，最终把三维编织复合材料复杂的细观几何织构离散成非均匀的Voxel网格。

2.根据权利要求1所述基于Micro-CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，其特征在于：步骤一中所述灰度片层图像中不同的纤维束与基体材料灰度值具体为

$g(i,j)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1......}f(i,j)\≥H\\ \mathrm{0......}f(i,j)\<H\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，H为纤维束和基体两种材料的分界处的阈值；f(·)为像素点(i,j)处灰度片层图像处理前的灰度值；g(·)为像素点(i,j)处灰度片层图像中不同的纤维束与基体材料灰度值；0表示黑色，1表示白色。

3.根据权利要求1或2所述基于Micro-CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，其特征在于：步骤二中对片层图像的二值图像进行去噪处理后，光滑基体区域和纤维束内部区域的边界，将光滑后的纤维束边界进行几何矢量化处理，由多边形确定纤维束的横截形状具体为：

步骤二一、对片层图像的二值图像进行开操作和闭操作；

步骤二二、利用图片腐蚀和膨胀技术将基体内部和纤维束内部进行去噪处理，得到去噪后的基体区域和纤维束区域；其中，去噪后的基体和纤维束内部为去除冗余的缺陷及孔隙的片层图像；

步骤二三、通过计算灰色度的导数数值对纤维束的光滑边界进行检测；

$g(i,j)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{0......}\left(\right|\▿f|\≥K)\\ \mathrm{1......}\left(\right|\▿f|\<K)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，去噪后的基体区域和纤维束区域边界处的导数必定大于0，而在白色区域或者黑色区域内部像素点的为0，这样K＝0便能是纤维束和基体的边界；为边界处像素灰色度的导数，K为给定的阈值；

步骤二四、通过去噪后的相邻两基体区域进行的连线，对步骤二三中相连的光滑后的纤维束区域进行边界分割得到每根纤维束的边界，并对每根纤维束边界进行检测及几何矢量化处理后，对每根纤维束区域进行边界剖分；结合距离法和缩减坐标法利用多边形确定光滑后的每根纤维束的横截形状。

4.根据权利要求3所述基于Micro-CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，其特征在于：步骤二四中对每根纤维束边界进行检测及几何矢量化处理后，对每根纤维束区域进行边界剖分；结合距离法和缩减坐标法利用多边形确定光滑后的每根纤维束的横截形状的方法如下：

(1)、设定一个阈值t；连接光滑的纤维束边界中相距最远的两个像素点；这两个像素点形成第n条分割线l_n，分割线将光滑的纤维束的闭合边界分成两个部分，求出两部分中任意一部分所有像素点到分割线的距离，记录下像素点到分割线的最大距离及相应的像素点；若最大距离小于阈值t，则认为第n条分割线l_n代表这一部分的边界；

(2)、若最大距离大于阈值t，则记录下到分割线的最大距离的像素点分别与第n-1条分割线l_n-1的两个端点连线，形成两条新的分割线；

(3)、根据两条新的分割线之间的区间，确定区间内纤维束边界上的像素点到新的分割线的距离最大的像素点1；如果该最大距离大于阈值t，则连接该像素点1与新分割线两端点的像素，形成两条新的分割线，重复步骤(2)～(3)；直到计算出每个区间内像素点到分割线距离均小于阈值t为止，那么此时形成的闭合的分割线便是代表分界面图像的多边形；

(4)、采用缩减坐标法去除过多的多边形节点，最后剩下的坐标点组成多边形，由多边形确定每根纤维束区域的横截形状。

5.根据权利要求1所述基于Micro-CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，其特征在于：步骤三中提取由多边形确定纤维束的横截面信息，通过连续断层上相邻纤维束截面中心点连线确定纤维束路径，根据纤维束路径得到纤维束局部坐标信息具体为：

把每根纤维束的截面中心连接起来即成为一根连续的纤维束，即得到纤维束的路径；纤维束路径由三次函数进行插值，该三次函数为：

$\left\{\begin{array}{c}x=a_0+a_{1}t+a_2{t}^2+a_3{t}^3\\ y=b_0+b_{1}t+b_2{t}^2+b_3{t}^3\\ z=c_0+c_{1}t+c_2{t}^2+c_3{t}^3\end{array}\right.,0\≤t\≤1---\left(3\right)$

其中，(a₀b₀c₀)、(a₁b₁c₁)、(a₂b₂c₂)和(a₃b₃c₃)分别为每根纤维束上连续的四个截面中心的三维坐标值，(x,y,z)为(a₀b₀c₀)和(a₃b₃c₃)之间的纤维束路径上的坐标值；t为等参变量。

6.根据权利要求1所述基于Micro-CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，其特征在于：步骤六中利用Voxel网格对三维编织复合材料细观织构的几何模型进行离散，确定纤维束Voxel网格局部纤维束路径方向，同时得到三维编织复合材料内部每根纤维束边界处的Voxel网格和基体边界处的Voxel网格；

步骤六一、基于步骤三生成的纤维束几何信息，利用四边形单元离散纤维束表面，通过表面四边形单元包裹出每一根纤维束，得到每根纤维束表面四边形网格；其中，每根纤维束表面四边形网格方向采用右手定则确定；

步骤六二、采用Voxel三维体像素网格对三维编织复合材料进行离散，对纤维束和基体界面处的Voxel网格进行识别，得到区分属于纤维束和基体内部的Voxel网格；

步骤六三、基于步骤六一生成的每根纤维束表面四边形网格，确定区分属于纤维束和基体内部的Voxel网格中心到纤维束表面四边形网格中心的距离，界定Voxel网格所处的位置；

其中，L表示为Voxel网格中心到纤维束表面四边形单元的距离；

步骤六四、搜寻纤维束Voxel网格中心到纤维束表面距离最小的纤维束表面四边形网格，其中，纤维束Voxel网格单元方向与纤维束表面四边形网格的方向一致。

7.根据权利要求1所述基于Micro-CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法，其特征在于：步骤七中识别需要在纤维束与基体边界处细化的Voxel网格，对Voxel网格进行剖分，生成新的Voxel网格具体过程为：

如果纤维束和基体边界处的Voxel网格的|L|满足：

$\left|L\right|\≤k\sqrt{({L_x}^2+{L_y}^2+{L_z}^2)}$

则将Voxel网格进一步细化，将该Voxel网格在Voxel网格的X、Y和Z轴三个方向上进行二等分处理，即Voxel单元分成八个新的Voxel单元；其中，|L|为Voxel网格中心到纤维束表面四边形单元距离的绝对值；L_x、L_y和L_z分别为Voxel网格的在X、Y和Z轴三个方向的尺寸，k为调解进一步细化Voxel网格区域的参数。