三維編織物複合材料預製件表面參數測量方法與流程
2024-04-09 20:43:05 1
本發明涉及一種三維編織物複合材料預製件表面參數測量方法，該系統對碳纖維材質的三維編織複合材料預製件的表面參數具有較好的測量效果，屬於圖像處理技術領域，可應用於三維編織領域中預製件表面參數，即編織角和花節距的測量。
背景技術：
三維編織物複合材料是新型高性能複合材料，與其他材料相比優勢明顯，具有高比強度、高比模量、高損傷容限和斷裂韌性、耐衝擊、抗開裂和抗疲勞等優異特點，並且在可設計性、整體成型性及淨截面製造等方面具有明顯優勢。三維編織物複合材料已成為航空、航天領域的重要結構材料，並已在汽車、醫療、體育等領域得到廣泛的應用。隨著航空航天、軍工器械、醫療服務等領域對高性能複合材料的需求日益增加，三維紡織複合材料因其能夠有效克服傳統複合材料分層、開裂、厚度方向強度低，抗衝擊損傷性能差等缺點，具有高強度、抗衝擊、抗分層、耐高溫、結構設計靈活、綜合力學性能優異等優良性能。不同的三維編織複合材料預製件會產生不同的性質，為了更好地了解複合材料的各項性能，需要對預製件的參數進行測量和控制，其中表面參數編織角和花節距是反映預製件內部結構和性能的重要參數。
表面編織角θ，是指三維編織物表面上纖維束與織物軸向方向形成的夾角。花節距h，是指在一個機器編織周期中沿著編織方向產生的長度；編織角和花節距的示意圖如圖2所示，其中圖2-1為理想情況下編織角和和花節距，圖2-2為實際情況下編織角和花節距。
目前對於這兩個表面參數的測量多為人工測量，這種方法主觀依賴性強，效率低。因此，一個三維編織物複合材料預製件表面參數測量方法的建立，對提高紡織業檢測水平具有重要意義。近年來，計算機技術和數字圖像處理技術取得了很大的發展，並且已經成功運用於紡織工業。這些相關領域的研究成果使得利用數字圖像處理技術實現織物組織結構的檢測、分析成為可能。
現有的織物表面參數測量的研究成果中主要有以下幾類方法：三點測角法、四點測角法[1]；基於傅立葉功率譜的平均編織角的測量[2]；基於曲線擬合的編織角的測量[3]；基於小波變換多解析度分析的花節長度的自動化測量[4]。
在這些方法，但仍存在一些問題。首先三點測角法、四點測角法，需對計算機顯示屏上的織物圖像進行手工點點，這一方法主觀依賴性強，自動化程度低；基於曲線擬合方法的編織角的測量，測量結果的好壞依賴於曲線擬合的好壞；基於小波變換多解析度分析法測量花節長度，依賴於織物圖像模板的截取及相關參數的求解。因此，一個高效、準確、能測平均編織角和每個花節距的方法，對於分析預製件內部結構等具有重要意義。
參考文獻
[1]吳德隆，沈懷榮.紡織結構複合材料力學性能[M].長沙：國防科技大學出版社，1988，30-34
[2]Wan，Z.K.，& Li，J.L.(2006).Braided angle measurement technique for three-dimensional braided composite material preform using mathematical morphology and image texture.AUTEX Research Journal，6(1)，30-39.
[3]萬振凱，沈俊輝，王希山.複合材料預製件編織角測量研究.紡織學報，2004，25(3)：42-43.
[4]貢麗英，萬振凱.編織複合材料預製件花節長度的自動測量系統實現[J].計算機測量與控制.2006，14(6)：730-733.
技術實現要素：
本發明的目的是克服上述現有技術的不足，提供一種能夠測量三維編織複合材料預製件表面參數編織角和花節距的方法。為此，本發明採用如下的技術方案。
三維編織物複合材料預製件編織角和花節距表面參數測量方法，包括下列步驟：
步驟1：對採集的圖像進行基於偏微分方程的預處理得到圖像Fpt；
步驟2：對圖像Fpt進行基於相位一致性的邊緣檢測得到圖像Fpc；
步驟3：對圖像Fpc進行基於霍夫變換的直線提取，確定編織物兩個紋理方向的基準角；
步驟4：測量織物編織角；
步驟5：測量織物花節距。
本發明具有如下的技術效果：
1.能同時檢測平均編織角和每個花節距，具有較好的測量效果。
2.偏向於應用。
附圖說明
圖1：本發明的三維編織物複合材料預製件表面參數測量方法整體設計圖。
圖2：編織角θ和花節距h示意圖。圖2-1為理想情況下編織角和花節距。圖2-2為實際情況下編織角和花節距。
圖3：原始採集圖像與預處理後的圖像。圖3-1為原始採集的圖像，圖3-2為偏微分方程預處理後的圖Fpt，圖3-3為Fpt經過相位一致性邊緣檢測後的圖Fpc。
圖4：圖4-1為圖Fpc旋轉45.8°後的圖像，圖4-2為圖Fpc旋轉45.8°後的圖像的灰度直方圖。
圖5：圖5-1為圖Fpc旋轉126.4°後的圖像，圖5-2為圖Fpc旋轉126.4°後的圖像的灰度直方圖。
具體實施方式
本發明的方法如圖1所示，包括基於偏微分方程的圖像預處理、基於相位一致性的邊緣提取、基於霍夫變換的直線提取、編織角和花節距的測量。下面結合附圖，對本發明技術方案的具體實施過程加以說明。
1)偏微分方程對採集的圖像進行預處理：將圖像處理過程轉變為偏微分方程的求解過程，該方法將圖像看作一個連續信號，把圖像處理操作寫成一個偏微分算子，通過求解以原始圖像為初值的偏微分方程實現織物圖像預處理，得到圖像Fpt；
其中，Gσ是高斯函數，滿足
Gσ(x，y)＝Cσ-1/2exp(-(x2+y2)/4σ)
其中，σ是與高斯函數的方差有關的參數，不同的σ定義了不同的平滑程度。表示在尺度t上對邊緣進行估計然後使用該信息來決定擴散的程度，以避免在邊緣點過分擴散；
2)基於相位一致性的邊緣提取：
相位一致性的基本概念是將圖像中傅立葉分量相位最一致的點作為特徵點。以一些簡單函數的傅立葉級數展開為例，方波展開為傅立葉級數時，所有的傅立葉分量都是正弦波，在階躍點處其各諧波分量具有相同的相位(相位為0度或180度，這取決於該點位於上升沿還是下降沿)，而其它點的單個相位值都在變化，相位一致的程度較低；對於三角波，各諧波分量在頂點處相位一致的程度最大(即波峰和波谷處，相位為90度或270度)；
3)基於Hough變換的直線提取，將圖像Fpc變換到參數空間，通過計算累計結果的局部最大值得到一個符合直線的集合作為霍夫變換結果，確定編織物紋理兩個方向的基準角θ1、θ2；
4)編織角的測量：將圖像旋轉θ1n度並對圖像做X軸方向灰度投影G(x)，計算投影方差S1並找出最大值S1MAX對應的θ1nmax，其中：θ1n＝θ1+n×0.1°，-50≤n≤50，同理找出S2MAX所對應的θ2nmax，該三維織物表面編織角為
5)花節距的測量：分別計算兩個方向投影圖不同周期間波峰和波峰像素距離差d1和d2，即直線間像素距離，據餘弦定理計算像素級花節距d，根據尺寸標定結果，將像素級花節距轉換成實際花節距。
本發明提出一種三維編織物複合材料預製件表面參數測量方法，該方法結合偏微分方程、相位一致性、霍夫變換，實現了碳纖維材質的三維編織物複合材料預製件編織角和花節距的測量。