基于圖像提取的炭/炭復合材料彈性性能預測方法

基于圖像提取的炭/炭復合材料彈性性能預測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于圖像提取的炭/炭復合材料彈性性能預測方法，用于解決現有炭/炭復合材料彈性性能預測方法精度差的技術問題。技術方案是基于炭/炭復合材料PLM(偏光圖像)圖像，采用圖像計算手段獲得各微觀結構的信息參數，將這些微觀結構作為夾雜相依次引入解析力學模型中，使用固體缺陷力學的夾雜理論求解其等效彈性性能，實現對多組分相炭/炭復合材料彈性性能的準確、高效的預測。由于采用偏光圖像獲得炭/炭復合材料纖維和孔隙等微觀結構的信息，所建立的力學模型更加精準，更加接近實際情況。纖維束分布、纖維體積分數、孔隙體積分數以及分布等影響炭/炭復合材料等效彈性模量的重要參數通過計算獲得，而不需要假設。
【專利說明】
基于圖像提取的炭/炭復合材料彈性性能預測方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種炭/炭復合材料彈性性能預測方法，特別設及一種基于圖像提取 的炭/炭復合材料彈性性能預測方法。
【背景技術】
[0002] 炭/炭復合材料由于具有高比強度、高比剛度、良好高溫力學性能等優點而越來越 多的應用在航天宇航等領域，被認為是未來能夠在超高溫環境下長時間服役最有發展前景 的熱結構材料，因此具有重要的國防戰略價值。但是由于該材料往往具有各向異性的特點， 因此其力學性能預測往往較為復雜。綜上，一種能夠快速準確的計算該復合材料彈性參數 的方法將具有重要的意義。可W在一定程度上減少試驗成本、縮短開發周期。
[0003] 對于連續碳纖維增強復合材料等效性能的研究主要有實驗法、解析法和數值模擬 法，實驗法是根據ASTM(Ame;rican Society of Testing Materials)等測試標準中的相關 要求對復合材料進行靜態測試，從試驗結果曲線中得到所需要的參數。在此過程中，需要按 照一定的標準制備試樣，通常工作量較大。此外對于具有獨立彈性參數較多的復合材料而 言，通過實驗法對其性能進行研究就顯得更為困難。
[0004] 有限元數值模擬已經被證明是一種有效的分析手段。文獻1"申請公布號是 104537259A的中國發明專利"公開了一種使用XCT技術對纖維增強復合材料微觀結構信息 進行提取，并建立有限元模型。但是對于炭/炭復合材料而言，由于孔隙微觀結構的存在，運 會給模型建立和計算帶來較大的難度，往往受到計算機能力限制而不能普遍使用。
[0005] 除此之外，文獻2"TSUKR0V I ,et al .Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2005,12( 1):43-54"公開了一種采用基于Eshe化y張量的固體缺陷力學夾雜理 論的方法，預測了炭/炭復合材料的彈性性能，但是由于CVI工藝的特殊性，通常該材料的微 觀結構復雜，除了纖維相和基體相之外，在基體中還分布著不均勻的孔桐結構，纖維和孔桐 結構對材料等效彈性模量的影響較大。基于上述文獻中對該材料微觀結構的假設很難考慮 到運些因素。因此，文獻中所述的解析算法在彈性參數預測時會與實驗值存在偏差。

【發明內容】

[0006] 為了克服現有炭/炭復合材料彈性性能預測方法精度差的不足，本發明提供一種 基于圖像提取的炭/炭復合材料彈性性能預測方法。該方法基于炭/炭復合材料PLM(偏光圖 像)圖像，采用圖像計算手段獲得各微觀結構的信息參數，將運些微觀結構作為夾雜相依次 引入解析力學模型中，使用固體缺陷力學的夾雜理論求解其等效彈性性能，實現對多組分 相炭/炭復合材料彈性性能的準確、高效的預測。
[0007] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案:一種基于圖像提取的炭/炭復合材料 彈性性能預測方法，其特點是包括W下步驟：
[000引步驟一、將所要分析的炭/炭復合材料進行多組PLM拍攝，獲得每張圖像的像素信 息；
[0009] 步驟二、將所拍攝的多組圖像分別進行去除噪點、調整對比W及平滑濾波處理，采 用自適應闊值算法確定圖像的闊值；
[0010] 步驟Ξ、設每張圖像的像素尺寸為長A像素、寬B像素，每個像素的灰度范圍是0~ 255，義用（i，j，k) (i E (0，B-1)，j E (0，A-1)，kE (0，N-1))來表不第k+1張圖像，第j+1行，第 i+1列像素。將步驟二調整后圖像的像素建立灰度值數組PixeHda化}，數組中的poxeUA* B*k+A* j+i ]元素表示像素（i，j，k)的灰度值；
[0011] 步驟四、根據步驟二計算結果確定的闊值，對炭/炭復合材料纖維區域進行識別并 提取，更新像素灰度數組PixeUdata}。在此基礎上再次使用步驟二的自適應闊值算法確定 孔隙結構的闊值，將孔隙輪廓將進行識別提取。再次更新步驟Ξ中不同組分區域相應的灰 度值。
[0012] 步驟五、根據步驟四的計算結果，分別獲得炭/炭復合材料基體相、纖維相及孔隙 相的灰度值為GVM、GVF及GVP。根據不同灰度值分別計算纖維相和孔隙相的體積分數為
,并統計孔隙相結構的長徑比 范圍λ。
[0013] 步驟六、建立炭/炭復合材料的微觀力學模型，其中孔隙相Ωι，熱解碳基體和纖維 相D-Ω。在該模型的外表面τ上的X位置處作用一外加載荷P，e為該模型外表面τ的單位外法 向量。炭/炭復合材料的微觀力學模型的應力和應變表達如下
[0016] 定義基體相和孔隙夾雜相的剛度張量分別為Ν和Ν*。其柔度張量分別為M = ri和Μ* 二護^。根據固體缺陷力學的理論
[0017]
戰
[001引其中，Aeu = cKVE:(T，cKVE為夾雜相的柔度貢獻張量，由于孔隙夾雜相為均質同性 材料，此處的A ευ和均為對稱二階張量，所WcKVE是和應力應變張量具有相同的對稱特性 的四階張量。因此有
所W此處的貢獻張量為
[0019]
[0020] 根據定義關于Eshelby張量Sijki函數的四階張量Qiiki和Rijki，其中，Qijki = Nijrs (Irskl-Srskl )，Rijkl二SijmnMmnkl。所W夾雜相的柔度貝獻張重為
[002。cRVE = vi[(M*-M)-i+Q]-i Qe[l，N]) (5)
[0022] 步驟屯、炭/炭復合材料中孔隙結構具有不同的形狀，故使用不同取向和尺寸比例 的楠球對其進行近似，孔隙的結構參數為Ar (ai，λ )其中，曰1 =曰2 = a = λ33。孔隙的取向分布函 數為
[0023]
(§)
[0024] 其中，Ψι(α)、Ψι(β)、Ψι( Φ )分別表示該楠球在局部坐標下關于Ξ個坐標軸的投 影分布角度。
[002引根據楠球夾雜的Ε S h e 1 b y張量表達S i j k 1。寫出孔隙的柔度貢獻張量
。因此含孔等效基體的柔度張量的表達式為
[0028] 步驟八、將炭/炭復合材料的纖維相作為夾雜相帶入步驟屯所得到的等效基體之 中，纖維相的柔度貢獻張量^
其中， hi和h2根據不同纖維取向分布的Mori-化naka的表達式得到。
[0029] 因此整體的柔度貢獻張量為
[0030] Meff=M6fM+cf (8)
[0031 ]故炭/炭復合材料彈性性能參數根據整體柔度矩陣的分量表示。
[0032] 本發明的有益效果是:該方法基于炭/炭復合材料PLM(偏光圖像）圖像，采用圖像 計算手段獲得各微觀結構的信息參數，將運些微觀結構作為夾雜相依次引入解析力學模型 中，使用固體缺陷力學的夾雜理論求解其等效彈性性能，實現對多組分相炭/炭復合材料彈 性性能的準確、高效的預測。由于采用偏光圖像獲得炭/炭復合材料纖維和孔隙等微觀結構 的信息，所建立的力學模型更加精準，更加接近實際情況。纖維束分布、纖維體積分數、孔隙 體積分數W及分布等影響炭/炭復合材料等效彈性模量的重要參數通過計算獲得，而不需 要假設。計算炭/炭復合材料等效性能，只需該材料部分結構即可，通過對其所拍攝的偏光 圖像進行分析獲得相應微觀結構參數，就可W計算出其剛度性能，簡單易行。
[0033] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作詳細說明。
【附圖說明】
[0034] 圖1是CVI工藝制備的炭/炭復合材料偏光圖像；
[0035] 圖2是預處理后的PLM圖像；
[0036] 圖3是根據灰度值將纖維結構進行提取后的圖像；
[0037] 圖4根據灰度數不同，將孔隙結構進行提取后的圖像；
[0038] 圖5是所建立的微觀力學模型原理簡圖；
[0039] 圖6是局部坐標下的孔隙結構和分布示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 參照圖1-6。本發明基于圖像提取的炭/炭復合材料彈性性能預測方法具體步驟如 下：
[0041] 步驟1:將所分析的炭/炭復合材料試樣進行多組PLM(偏光顯微圖像）拍攝(如圖1 所示），并獲得每張圖像的像素信息；
[0042] 圖1是采用CVI工藝制備的單向預制體增強炭/炭復合材料的偏光圖像。增強相為 T700碳纖維，基體為熱解碳基體，碳纖維和基體的彈性參數如下：Eii = 230Gpa,E22 = E33 = 15Gpa，Gi2 = Gi3 = 9Gpa，G23 = 9.5Gpa，yi2 = yi3 = 0.2，μ23 = 0.23。基體的彈性參數為：E = 32.8Gpa，μ = 0.159;并對該復合材料的橫觀彈性模量進行實驗測試，結果為13.5Gpa。
[0043] 步驟2:將所拍攝的N組照片分別進行去除噪點、調整對比W及平滑濾波處理(如圖 2所示）；采用自適應闊值算法確定圖像的闊值；
[0044] 步驟3:設每張圖像的像素尺寸為長A像素、寬B像素，每個像素的灰度范圍是0~ 255，義用（i，j，k) (i E (0，B-1)，j E (0，A-1)，kE (0，N-1))來表不第k+1張圖像，第j+1行，第 i+1列像素。將步驟2調整后圖像的像素建立灰度值數組PixeUda化}，數組中的poxeUA地* k+A* j+i ]元素表示像素 (i，j，k)的灰度值；
[0045] 步驟4:根據步驟2中計算結果確定的闊值，對纖維區域進行識別并提取(如圖3所 示），更新像素灰度數組PixeUda化}。在此基礎上再次使用步驟2的自適應闊值算法確定孔 隙結構的闊值，將孔隙輪廓將進行識別提取(如圖4所示）。再次更新步驟3中不同組分區域 相應的灰度值。
[0046] 步驟5:根據步驟4中的計算結果，分別獲得基體相、纖維相及孔隙相的灰度值為 GVM、GVF、GVP。根據不同灰度值分別計算纖維相和孔隙相的體積分數為
并統計圖中孔 隙結構的長徑比范圍λ￡(0.2,7.5)。
[0047] 步驟6:建立該材料的微觀力學模型（如圖5所示），其中孔隙相（Ωι)，熱解碳基體 和纖維相(D-Ω)。在該模型的外表面τ上的X位置處作用一外加載荷P，e為該外表面τ的單位 外法向量。所W整個模型的應力和應變表達如下
[0050] 定義基體相和孔隙夾雜相的剛度張量分別為Ν和滬。其柔度張量分別為M=ri和r = Ν^。根據固體缺陷力學的理論
[0化1 ]
掛
[00對其中，A eu = cKW:(T，cKVE為夾雜相的柔度貢獻張量，由于孔隙夾雜相為均質同性 材料，此處的A ευ和均為對稱二階張量，所WcKVE是和應力應變張量具有相同的對稱特性 的四階張量。因此有：
，所W此處的貢獻張量為。
[0化3]
纖
[0054]根據定義關于Eshelby張量Sijki函數的四階張量Qijki和Rijki，其中，Qijki = Nijrs (Irskl-Srskl )，Rijkl二SijmnMmnkl。所W夾雜相的柔度貝獻張重為
[0化5]
[0056] 步驟7:因為在炭/炭復合材料中孔隙結構往往具有不同的形狀，在此處使用不同 取向和尺寸比例的楠球對其進行近似，孔隙的結構參數為Ar(ai，λ)，其中ai =曰2 = a = λ33。孔 隙的取向分布函數為。
[0057]
終）
[005引其中Ψl(α)、Ψl(β)、Ψl(Φ)分別表示該楠球在局部坐標下關于Ξ個坐標軸的投 影分布角度(如圖6所示）。
[0059] 根據楠球夾雜的Ε S h e 1 b y張量表達S i j k 1。寫出孔隙的柔度貢獻張量
因此含孔等效基體的柔度張量的表達式為
[0062] 步驟8:將纖維相作為夾雜相帶入步驟7所得到的等效基體之中，纖維相的柔度貢 獻張量巧
其中hi和h2則根據不同纖 維取向分布的Mori-Tanaka的表達式而來。
[0063] 因此整體的柔度貢獻張量為
[0064]
[0065] 該材料的各項彈性性能參數則根據整體柔度矩陣的分量來進行表示。所W其橫觀 彈性模量天
與所測試結果13.5Gpa相差6%，結果吻合較好。
【主權項】
1. 一種基于圖像提取的炭/炭復合材料彈性性能預測方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一、將所要分析的炭/炭復合材料進行多組PLM拍攝，獲得每張圖像的像素信息； 步驟二、將所拍攝的多組圖像分別進行去除噪點、調整對比以及平滑濾波處理，采用自 適應閾值算法確定圖像的閾值； 步驟三、設每張圖像的像素尺寸為長A像素、寬B像素，每個像素的灰度范圍是0~255， 米用（1，」，1〇(;[￡(〇，13-1)，_]_￡(〇，厶-1)，1<：￡(〇，1'}-1))來表不第1<:+1張圖像，第]_+1行，第1+1 列像素;將步驟二調整后圖像的像素建立灰度值數組Pixel {data}，數組中的poxel [A*B*k +A* j + i ]元素表示像素（i，j，k)的灰度值； 步驟四、根據步驟二計算結果確定的閾值，對炭/炭復合材料纖維區域進行識別并提 取，更新像素灰度數組Pixel{data};在此基礎上再次使用步驟二的自適應閾值算法確定孔 隙結構的閾值，將孔隙輪廓將進行識別提取;再次更新步驟三中不同組分區域相應的灰度 值； 步驟五、根據步驟四的計算結果，分別獲得炭/炭復合材料基體相、纖維相及孔隙相的 灰度值為GVM、GVF及GVP;根據不同灰度值分別計算纖維相和孔隙相的體積分數為;并統計孔隙相結構的長徑比 范圍λ; 步驟六、建立炭/炭復合材料的微觀力學模型，其中孔隙相Ω i，熱解碳基體和纖維相D-Ω ;在該模型的外表面τ上的X位置處作用一外加載荷P，e為該模型外表面τ的單位外法向 量;炭/炭復合材料的微觀力學模型的應力和應變表達如下定義基體相和孔隙夾雜相的剛度張量分別為Ν和Ν%其柔度張量分別為Μ = Ν4和if = Ν μ;根據固體缺陷力學的理論其中，△ h = CRVE:〇°°，CRVE為夾雜相的柔度貢獻張量，由于孔隙夾雜相為均質同性材料， 此處的A ^和#均為對稱二階張量，所以CRVE是和應力應變張量具有相同的對稱特性的四 階張量;因此有，所以此處的貢獻張量為根據定義關于Eshe lby張量Sijki函數的四階張量Qijki和Ri jki，其中，Qi jki = Nijrs (Irski-Srskl)，Rijkl = SijmnMmnkl;所以夾雜相的柔度貝獻張里為 CRVE = vi[(M*-M)-hQ]-1 (ie[l，N]) (5) 步驟七、炭/炭復合材料中孔隙結構具有不同的形狀，故使用不同取向和尺寸比例的橢 球對其進行近似，孔隙的結構參數為Ar(ai，λ)，其中，ai = a2 = a = Aa3;孔隙的取向分布函數 為(€〇隊(0)、機（?)分別表示該橢球在局部坐標下關于三個坐標軸的投影分布角度；根據橢球夾雜的Eshelby張量表達Sijki;寫出孔隙的柔度貢獻張量 因此含孔等效基體的柔度張量的表達式為步驟八、將炭/炭復合材料的纖維相作為夾雜相帶入步驟七所得到的等效基體之中，纖 維相的柔度貢獻張量，其中，hi和h2 根據不同纖維取向分布的Mor i -Tanaka的表達式得到； 因此整體的柔度貢獻張量為 Meff=MefM+Cf (8) 故炭/炭復合材料的各項彈性性能參數根據整體柔度矩陣的分量表示。
【文檔編號】G06T7/00GK105825507SQ201610152529
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月17日
【發明人】齊樂華, 晁許江, 潘廣鎮, 朱江順, 宋永善, 李賀軍
【申請人】西北工業大學