基于图像提取的炭/炭复合材料弹性性能预测方法

基于图像提取的炭/炭复合材料弹性性能预测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像提取的炭/炭复合材料弹性性能预测方法，用于解决现有炭/炭复合材料弹性性能预测方法精度差的技术问题。技术方案是基于炭/炭复合材料PLM(偏光图像)图像，采用图像计算手段获得各微观结构的信息参数，将这些微观结构作为夹杂相依次引入解析力学模型中，使用固体缺陷力学的夹杂理论求解其等效弹性性能，实现对多组分相炭/炭复合材料弹性性能的准确、高效的预测。由于采用偏光图像获得炭/炭复合材料纤维和孔隙等微观结构的信息，所建立的力学模型更加精准，更加接近实际情况。纤维束分布、纤维体积分数、孔隙体积分数以及分布等影响炭/炭复合材料等效弹性模量的重要参数通过计算获得，而不需要假设。
【专利说明】
基于图像提取的炭/炭复合材料弹性性能预测方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种炭/炭复合材料弹性性能预测方法，特别设及一种基于图像提取 的炭/炭复合材料弹性性能预测方法。
【背景技术】
[0002] 炭/炭复合材料由于具有高比强度、高比刚度、良好高溫力学性能等优点而越来越 多的应用在航天宇航等领域，被认为是未来能够在超高溫环境下长时间服役最有发展前景 的热结构材料，因此具有重要的国防战略价值。但是由于该材料往往具有各向异性的特点， 因此其力学性能预测往往较为复杂。综上，一种能够快速准确的计算该复合材料弹性参数 的方法将具有重要的意义。可W在一定程度上减少试验成本、缩短开发周期。
[0003] 对于连续碳纤维增强复合材料等效性能的研究主要有实验法、解析法和数值模拟 法，实验法是根据ASTM(Ame;rican Society of Testing Materials)等测试标准中的相关 要求对复合材料进行静态测试，从试验结果曲线中得到所需要的参数。在此过程中，需要按 照一定的标准制备试样，通常工作量较大。此外对于具有独立弹性参数较多的复合材料而 言，通过实验法对其性能进行研究就显得更为困难。
[0004] 有限元数值模拟已经被证明是一种有效的分析手段。文献1"申请公布号是 104537259A的中国发明专利"公开了一种使用XCT技术对纤维增强复合材料微观结构信息 进行提取，并建立有限元模型。但是对于炭/炭复合材料而言，由于孔隙微观结构的存在，运 会给模型建立和计算带来较大的难度，往往受到计算机能力限制而不能普遍使用。
[0005] 除此之外，文献2"TSUKR0V I ,et al .Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2005,12( 1):43-54"公开了一种采用基于Eshe化y张量的固体缺陷力学夹杂理 论的方法，预测了炭/炭复合材料的弹性性能，但是由于CVI工艺的特殊性，通常该材料的微 观结构复杂，除了纤维相和基体相之外，在基体中还分布着不均匀的孔桐结构，纤维和孔桐 结构对材料等效弹性模量的影响较大。基于上述文献中对该材料微观结构的假设很难考虑 到运些因素。因此，文献中所述的解析算法在弹性参数预测时会与实验值存在偏差。

【发明内容】

[0006] 为了克服现有炭/炭复合材料弹性性能预测方法精度差的不足，本发明提供一种 基于图像提取的炭/炭复合材料弹性性能预测方法。该方法基于炭/炭复合材料PLM(偏光图 像)图像，采用图像计算手段获得各微观结构的信息参数，将运些微观结构作为夹杂相依次 引入解析力学模型中，使用固体缺陷力学的夹杂理论求解其等效弹性性能，实现对多组分 相炭/炭复合材料弹性性能的准确、高效的预测。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案:一种基于图像提取的炭/炭复合材料 弹性性能预测方法，其特点是包括W下步骤：
[000引步骤一、将所要分析的炭/炭复合材料进行多组PLM拍摄，获得每张图像的像素信 息；
[0009] 步骤二、将所拍摄的多组图像分别进行去除噪点、调整对比W及平滑滤波处理，采 用自适应阔值算法确定图像的阔值；
[0010] 步骤Ξ、设每张图像的像素尺寸为长A像素、宽B像素，每个像素的灰度范围是0~ 255，义用（i，j，k) (i E (0，B-1)，j E (0，A-1)，kE (0，N-1))来表不第k+1张图像，第j+1行，第 i+1列像素。将步骤二调整后图像的像素建立灰度值数组PixeHda化}，数组中的poxeUA* B*k+A* j+i ]元素表示像素（i，j，k)的灰度值；
[0011] 步骤四、根据步骤二计算结果确定的阔值，对炭/炭复合材料纤维区域进行识别并 提取，更新像素灰度数组PixeUdata}。在此基础上再次使用步骤二的自适应阔值算法确定 孔隙结构的阔值，将孔隙轮廓将进行识别提取。再次更新步骤Ξ中不同组分区域相应的灰 度值。
[0012] 步骤五、根据步骤四的计算结果，分别获得炭/炭复合材料基体相、纤维相及孔隙 相的灰度值为GVM、GVF及GVP。根据不同灰度值分别计算纤维相和孔隙相的体积分数为
,并统计孔隙相结构的长径比 范围λ。
[0013] 步骤六、建立炭/炭复合材料的微观力学模型，其中孔隙相Ωι，热解碳基体和纤维 相D-Ω。在该模型的外表面τ上的X位置处作用一外加载荷P，e为该模型外表面τ的单位外法 向量。炭/炭复合材料的微观力学模型的应力和应变表达如下
[0016] 定义基体相和孔隙夹杂相的刚度张量分别为Ν和Ν*。其柔度张量分别为M = ri和Μ* 二护^。根据固体缺陷力学的理论
[0017]
战
[001引其中，Aeu = cKVE:(T，cKVE为夹杂相的柔度贡献张量，由于孔隙夹杂相为均质同性 材料，此处的A ευ和均为对称二阶张量，所WcKVE是和应力应变张量具有相同的对称特性 的四阶张量。因此有
所W此处的贡献张量为
[0019]
[0020] 根据定义关于Eshelby张量Sijki函数的四阶张量Qiiki和Rijki，其中，Qijki = Nijrs (Irskl-Srskl )，Rijkl二SijmnMmnkl。所W夹杂相的柔度贝献张重为
[002。cRVE = vi[(M*-M)-i+Q]-i Qe[l，N]) (5)
[0022] 步骤屯、炭/炭复合材料中孔隙结构具有不同的形状，故使用不同取向和尺寸比例 的楠球对其进行近似，孔隙的结构参数为Ar (ai，λ )其中，曰1 =曰2 = a = λ33。孔隙的取向分布函 数为
[0023]
(§)
[0024] 其中，Ψι(α)、Ψι(β)、Ψι( Φ )分别表示该楠球在局部坐标下关于Ξ个坐标轴的投 影分布角度。
[002引根据楠球夹杂的Ε S h e 1 b y张量表达S i j k 1。写出孔隙的柔度贡献张量
。因此含孔等效基体的柔度张量的表达式为
[0028] 步骤八、将炭/炭复合材料的纤维相作为夹杂相带入步骤屯所得到的等效基体之 中，纤维相的柔度贡献张量^
其中， hi和h2根据不同纤维取向分布的Mori-化naka的表达式得到。
[0029] 因此整体的柔度贡献张量为
[0030] Meff=M6fM+cf (8)
[0031 ]故炭/炭复合材料弹性性能参数根据整体柔度矩阵的分量表示。
[0032] 本发明的有益效果是:该方法基于炭/炭复合材料PLM(偏光图像）图像，采用图像 计算手段获得各微观结构的信息参数，将运些微观结构作为夹杂相依次引入解析力学模型 中，使用固体缺陷力学的夹杂理论求解其等效弹性性能，实现对多组分相炭/炭复合材料弹 性性能的准确、高效的预测。由于采用偏光图像获得炭/炭复合材料纤维和孔隙等微观结构 的信息，所建立的力学模型更加精准，更加接近实际情况。纤维束分布、纤维体积分数、孔隙 体积分数W及分布等影响炭/炭复合材料等效弹性模量的重要参数通过计算获得，而不需 要假设。计算炭/炭复合材料等效性能，只需该材料部分结构即可，通过对其所拍摄的偏光 图像进行分析获得相应微观结构参数，就可W计算出其刚度性能，简单易行。
[0033] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细说明。
【附图说明】
[0034] 图1是CVI工艺制备的炭/炭复合材料偏光图像；
[0035] 图2是预处理后的PLM图像；
[0036] 图3是根据灰度值将纤维结构进行提取后的图像；
[0037] 图4根据灰度数不同，将孔隙结构进行提取后的图像；
[0038] 图5是所建立的微观力学模型原理简图；
[0039] 图6是局部坐标下的孔隙结构和分布示意图。
【具体实施方式】
[0040] 参照图1-6。本发明基于图像提取的炭/炭复合材料弹性性能预测方法具体步骤如 下：
[0041] 步骤1:将所分析的炭/炭复合材料试样进行多组PLM(偏光显微图像）拍摄(如图1 所示），并获得每张图像的像素信息；
[0042] 图1是采用CVI工艺制备的单向预制体增强炭/炭复合材料的偏光图像。增强相为 T700碳纤维，基体为热解碳基体，碳纤维和基体的弹性参数如下：Eii = 230Gpa,E22 = E33 = 15Gpa，Gi2 = Gi3 = 9Gpa，G23 = 9.5Gpa，yi2 = yi3 = 0.2，μ23 = 0.23。基体的弹性参数为：E = 32.8Gpa，μ = 0.159;并对该复合材料的横观弹性模量进行实验测试，结果为13.5Gpa。
[0043] 步骤2:将所拍摄的N组照片分别进行去除噪点、调整对比W及平滑滤波处理(如图 2所示）；采用自适应阔值算法确定图像的阔值；
[0044] 步骤3:设每张图像的像素尺寸为长A像素、宽B像素，每个像素的灰度范围是0~ 255，义用（i，j，k) (i E (0，B-1)，j E (0，A-1)，kE (0，N-1))来表不第k+1张图像，第j+1行，第 i+1列像素。将步骤2调整后图像的像素建立灰度值数组PixeUda化}，数组中的poxeUA地* k+A* j+i ]元素表示像素 (i，j，k)的灰度值；
[0045] 步骤4:根据步骤2中计算结果确定的阔值，对纤维区域进行识别并提取(如图3所 示），更新像素灰度数组PixeUda化}。在此基础上再次使用步骤2的自适应阔值算法确定孔 隙结构的阔值，将孔隙轮廓将进行识别提取(如图4所示）。再次更新步骤3中不同组分区域 相应的灰度值。
[0046] 步骤5:根据步骤4中的计算结果，分别获得基体相、纤维相及孔隙相的灰度值为 GVM、GVF、GVP。根据不同灰度值分别计算纤维相和孔隙相的体积分数为
并统计图中孔 隙结构的长径比范围λ￡(0.2,7.5)。
[0047] 步骤6:建立该材料的微观力学模型（如图5所示），其中孔隙相（Ωι)，热解碳基体 和纤维相(D-Ω)。在该模型的外表面τ上的X位置处作用一外加载荷P，e为该外表面τ的单位 外法向量。所W整个模型的应力和应变表达如下
[0050] 定义基体相和孔隙夹杂相的刚度张量分别为Ν和沪。其柔度张量分别为M=ri和r = Ν^。根据固体缺陷力学的理论
[0化1 ]
掛
[00对其中，A eu = cKW:(T，cKVE为夹杂相的柔度贡献张量，由于孔隙夹杂相为均质同性 材料，此处的A ευ和均为对称二阶张量，所WcKVE是和应力应变张量具有相同的对称特性 的四阶张量。因此有：
，所W此处的贡献张量为。
[0化3]
纖
[0054]根据定义关于Eshelby张量Sijki函数的四阶张量Qijki和Rijki，其中，Qijki = Nijrs (Irskl-Srskl )，Rijkl二SijmnMmnkl。所W夹杂相的柔度贝献张重为
[0化5]
[0056] 步骤7:因为在炭/炭复合材料中孔隙结构往往具有不同的形状，在此处使用不同 取向和尺寸比例的楠球对其进行近似，孔隙的结构参数为Ar(ai，λ)，其中ai =曰2 = a = λ33。孔 隙的取向分布函数为。
[0057]
终）
[005引其中Ψl(α)、Ψl(β)、Ψl(Φ)分别表示该楠球在局部坐标下关于Ξ个坐标轴的投 影分布角度(如图6所示）。
[0059] 根据楠球夹杂的Ε S h e 1 b y张量表达S i j k 1。写出孔隙的柔度贡献张量
因此含孔等效基体的柔度张量的表达式为
[0062] 步骤8:将纤维相作为夹杂相带入步骤7所得到的等效基体之中，纤维相的柔度贡 献张量巧
其中hi和h2则根据不同纤 维取向分布的Mori-Tanaka的表达式而来。
[0063] 因此整体的柔度贡献张量为
[0064]
[0065] 该材料的各项弹性性能参数则根据整体柔度矩阵的分量来进行表示。所W其横观 弹性模量天
与所测试结果13.5Gpa相差6%，结果吻合较好。
【主权项】
1. 一种基于图像提取的炭/炭复合材料弹性性能预测方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、将所要分析的炭/炭复合材料进行多组PLM拍摄，获得每张图像的像素信息； 步骤二、将所拍摄的多组图像分别进行去除噪点、调整对比以及平滑滤波处理，采用自 适应阈值算法确定图像的阈值； 步骤三、设每张图像的像素尺寸为长A像素、宽B像素，每个像素的灰度范围是0~255， 米用（1，」，1〇(;[￡(〇，13-1)，_]_￡(〇，厶-1)，1<：￡(〇，1'}-1))来表不第1<:+1张图像，第]_+1行，第1+1 列像素;将步骤二调整后图像的像素建立灰度值数组Pixel {data}，数组中的poxel [A*B*k +A* j + i ]元素表示像素（i，j，k)的灰度值； 步骤四、根据步骤二计算结果确定的阈值，对炭/炭复合材料纤维区域进行识别并提 取，更新像素灰度数组Pixel{data};在此基础上再次使用步骤二的自适应阈值算法确定孔 隙结构的阈值，将孔隙轮廓将进行识别提取;再次更新步骤三中不同组分区域相应的灰度 值； 步骤五、根据步骤四的计算结果，分别获得炭/炭复合材料基体相、纤维相及孔隙相的 灰度值为GVM、GVF及GVP;根据不同灰度值分别计算纤维相和孔隙相的体积分数为;并统计孔隙相结构的长径比 范围λ; 步骤六、建立炭/炭复合材料的微观力学模型，其中孔隙相Ω i，热解碳基体和纤维相D-Ω ;在该模型的外表面τ上的X位置处作用一外加载荷P，e为该模型外表面τ的单位外法向 量;炭/炭复合材料的微观力学模型的应力和应变表达如下定义基体相和孔隙夹杂相的刚度张量分别为Ν和Ν%其柔度张量分别为Μ = Ν4和if = Ν μ;根据固体缺陷力学的理论其中，△ h = CRVE:〇°°，CRVE为夹杂相的柔度贡献张量，由于孔隙夹杂相为均质同性材料， 此处的A ^和#均为对称二阶张量，所以CRVE是和应力应变张量具有相同的对称特性的四 阶张量;因此有，所以此处的贡献张量为根据定义关于Eshe lby张量Sijki函数的四阶张量Qijki和Ri jki，其中，Qi jki = Nijrs (Irski-Srskl)，Rijkl = SijmnMmnkl;所以夹杂相的柔度贝献张里为 CRVE = vi[(M*-M)-hQ]-1 (ie[l，N]) (5) 步骤七、炭/炭复合材料中孔隙结构具有不同的形状，故使用不同取向和尺寸比例的椭 球对其进行近似，孔隙的结构参数为Ar(ai，λ)，其中，ai = a2 = a = Aa3;孔隙的取向分布函数 为(€〇队(0)、机（?)分别表示该椭球在局部坐标下关于三个坐标轴的投影分布角度；根据椭球夹杂的Eshelby张量表达Sijki;写出孔隙的柔度贡献张量 因此含孔等效基体的柔度张量的表达式为步骤八、将炭/炭复合材料的纤维相作为夹杂相带入步骤七所得到的等效基体之中，纤 维相的柔度贡献张量，其中，hi和h2 根据不同纤维取向分布的Mor i -Tanaka的表达式得到； 因此整体的柔度贡献张量为 Meff=MefM+Cf (8) 故炭/炭复合材料的各项弹性性能参数根据整体柔度矩阵的分量表示。
【文档编号】G06T7/00GK105825507SQ201610152529
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】齐乐华, 晁许江, 潘广镇, 朱江顺, 宋永善, 李贺军
【申请人】西北工业大学