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与流程

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。

技术实现要素：

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rwl，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sl与纤维壁域总面积sf；

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rl和纤维壁等效圆半径rf；

1.4)计算壁腔比：

rwl＝twall/rl＝(rf-rl)/rl，

其中，twall为壁厚，rwl为壁腔比，rl空腔等效圆半径，rf为纤维壁等效圆半径。

优选的，步骤2)包含以下步骤：

2.1)将纤维横截面中4层(p、s1、s2和s3)的同心椭圆作为空腔；

2.2)设定同心椭圆内椭圆的半长轴为alumen，半短轴为blumen，计算椭圆面积后计算等效圆半径rlumen为：

2.3)根据参考文献中提供的数据可知：

p层体积占比trp＝0.08，s1层体积占比trs1＝0.08，s2层体积占比trs2＝0.76，s3层体积占比trs3＝0.08，基于壁腔比rwl计算同心椭圆各层椭圆的半长轴与半短轴：

as3＝alumen+twall·trs3；

as2＝alumen+twall·(trs3+trs2)；

as1＝alumen+twall·(trs3+trs2+trs1)；

ap＝alumen+twall·(trs3+trs2+trs1+trp)；

bs3＝blumen+twall·trs3；

bs2＝blumen+twall·(trs3+trs2)；

bs1＝blumen+twall·(trs3+trs2+trs1)；

bp＝blumen+twall·(trs3+trs2+trs1+trp)；

其中αs3为s3层椭圆的半长轴，αs2为s2层椭圆的半长轴，αs1为s1层椭圆的半长轴，αp为p层椭圆的半长轴，bs3为s3层椭圆的半短轴，bs2为s2层椭圆的半短轴，bs1为s1层椭圆的半短轴，bp为p层椭圆的半短轴，twall为壁厚。

优选的，步骤3)中，s2层螺旋微纤的建立方法为：

3.1)用绘图软件绘制一个椭圆，建立一个椭圆拉伸曲面；

3.2)绘制一个圆，基于此圆以绘制一根螺旋线；

3.3)通过圆周阵列绘制n根(n则为微纤的根数)同心线段，建立一个螺旋扫描曲面；

3.4)取椭圆拉伸曲面与螺旋扫描曲面的交叉线可得椭圆面上的螺旋线；

3.5)在每根螺旋线的端点建立一个垂直于该线的基准面，绘制一个圆并进行扫描，即可完成椭圆式螺旋微纤的建模。

优选的，步骤4)通过将s2层进行螺旋挖槽的方法为将椭圆环形域螺旋微纤进行切除组合。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明基于木材纤维的横截面sem图像计算纤维的壁腔比，以此建立尺寸更贴合实际微观形貌的纤单根纤维模型；

2、本发明将对结构性能影响最显著的s2内的微纤进行单独建模并嵌入模型，重点突出了微纤在单根木材纤维中的重要地位，同时使得单根纤维的各向异性属性得以还原；

3、本发明将纤维中各层视作椭圆模型，在不失相似度的情况下简化了纤维的不规则截面。

附图说明

图1是木材纤维横截面的sem二值图像；

图2是木材纤维横截面的等效圆示意图；

图3是木材纤维同心椭圆模型；

图4是椭圆式螺旋线；

图5是s2层中螺旋微纤结构模型；

图6是挖去螺旋槽的s2层椭圆环模型；

图7是包含s2层螺旋微纤的单根木材纤维同心椭圆模型。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～7所示，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，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：

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sl与纤维壁域总面积sf；

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rl和纤维壁等效圆半径rf；

1.4)计算壁腔比：

rwl＝twall/rl＝(rf-rl)/rl，

其中，twall为壁厚，rwl为壁腔比，rl空腔等效圆半径，rf为纤维壁等效圆半径。

2)如图2、图3所示，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层的各各层椭圆尺寸；

2.1)将纤维横截面中4层(p、s1、s2和s3)的同心椭圆作为空腔；

2.2)设定同心椭圆内椭圆的半长轴为alumen，半短轴为blumen，计算椭圆面积后计算等效圆半径rlumen为：

2.3)根据参考文献中提供的数据可知：

p层体积占比trp＝0.08，s1层体积占比trs1＝0.08，s2层体积占比trs2＝0.76，s3层体积占比trs3＝0.08，基于壁腔比rwl计算同心椭圆各层椭圆的半长轴与半短轴：

as3＝alumen+twall·trs3；

as2＝alumen+twall·(trs3+trs2)；

as1＝alumen+twall·(trs3+trs2+trs1)；

ap＝alumen+twall·(trs3+trs2+trs1+trp)；

bs3＝blumen+twall·trs3；

bs2＝blumen+twall·(trs3+trs2)；

bs1＝blumen+twall·(trs3+trs2+trs1)；

bp＝blumen+twall·(trs3+trs2+trs1+trp)；

其中αs3为s3层椭圆的半长轴，αs2为s2层椭圆的半长轴，αs1为s1层椭圆的半长轴，αp为p层椭圆的半长轴，bs3为s3层椭圆的半短轴，bs2为s2层椭圆的半短轴，bs1为s1层椭圆的半短轴，bp为p层椭圆的半短轴，twall为壁厚。

3)如图5、图6所示，基于s2层，建立s2层椭圆式螺旋微纤结构；

3.1)用绘图软件绘制一个椭圆，建立一个椭圆拉伸曲面；

3.2)绘制一个圆，基于此圆以绘制一根螺旋线；

3.3)通过圆周阵列绘制n根(n则为微纤的根数)同心线段，建立一个螺旋扫描曲面；

3.4)取椭圆拉伸曲面与螺旋扫描曲面的交叉线可得椭圆面上的螺旋线；

3.5)在每根螺旋线的端点建立一个垂直于该线的基准面，绘制一个圆并进行扫描，即可完成椭圆式螺旋微纤的建模。

4)如图5、图6所示，将s2层进行螺旋挖槽，且此槽与螺旋微纤结构匹配；

4.1)将s2层的椭圆环形域螺旋微纤进行切除组合，得到如图7所示的带螺旋槽s2层。

5)如图7所示，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。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。