基于损伤映射有限元网格的分层量化方法与流程

本发明涉及的是一种材料力学领域的技术，具体是一种基于损伤映射有限元网格的复合材料钻孔分层量化方法。

背景技术：

碳纤维增强复合材料(cfrp)是一种由碳纤维与环氧树脂基体共热固化而成的先进复合材料，在与其他材料进行机械连接时，需要在cfrp上钻螺栓或铆钉孔，钻孔过程中产生的分层会对结构的剩余强度造成影响。为量化分层损伤的情况，首先需要借助外部设备采集分层形貌，再对得到的图像进行分析以量化分层程度。在此过程中，分层因子与等效分层半径的概念被提出与发展，以方便后续力学建模。但现有的等效分层半径在应用过程中大多只能反映分层的总体程度，无法体现分层的区域分布以及分层梯度。

超声探伤是一种广泛用于复合材料分层信息采集的方法，它是一种提取垂直于声束指定截面的回波信息而形成二维图像的技术。对复合材料而言，回波的声压与分层程度正相关，声压信息经过转化便得到能够以颜色值反映损伤程度的超声扫描图像。现有利用超声图像的方法大多是对其进行阈值化处理之后，计算出损伤区域面积或轮廓，损失损伤程度的信息。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于损伤映射有限元网格的分层量化方法，从超声c扫描图像获取损伤信息，可以将损伤程度反映在各个单元上，量化不同区域的分层程度，提高仿真精度；整体自动化程度高，实现从超声扫描图像到有限元计算模型的直接生成，避免构建几何模型的过程。最终，达到量化钻孔分层损伤的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于损伤映射有限元网格的分层量化方法，对钻孔分层区域进行超声扫描后得到的图像进行亮度值分块统计，建立与分块的拓扑结构完全一致的初始有限元网格并进行材质属性替换，再通过对有限元网格进行平滑处理，得到优化的有限元模型并导出为.inp的文本文件。

所述的.inp文本文件可由abaqus软件直接读取，读入后所生成的模型不仅以平滑的结构化网格精确描述原钻孔的真实边界，而且清晰地展示不同分层区域所具有的材料属性，达到量化分层损伤的效果，可为更加精细的仿真试验以及深入解钻孔分层机理提供指导。

所述的亮度值分块统计是指：根据图像中每个像素点的亮度值，按预设有限元网格单元数划分成同等数量的图像块并统计每个图像块内像素亮度的平均值，设置平均值中的最大和最小分别分别对应孔洞区域和完好区域，其他图像块则对应为由于分层引起的不同损伤程度的区域。

所述的材质属性替换是指：将对应孔洞区域的图像块网格赋予完好区域的材料属性；将对应损伤区域的图像块赋予衰退的材料属性。

所述的平滑处理是指：通过平滑算法移动孔洞区域周边的网格节点使得边界变光滑，即：对于每一个孔洞区域的边界点，找出包含其本身在内的周围所有输出节点，对所有节点的横坐标与纵坐标分别平均后获得节点中心，将边界点移动至其与节点中心的连线的中点并更新为新的边界点，当遍历完所有边界点后则得到较平滑的边界。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：依次串联的图像处理模块、有限元网格初始化模块、网格平滑模块以及模型文件生成模块，其中：图像处理模块分块提取原始分层图像的rgb信息，有限元网格初始化模块根据rgb信息生成包含不同材料属性的网格单元，网格平滑模块将网格单元进行边界平滑处理以更好描述原材料边界。

所述的系统中优选进一步设有模型文件生成模块，将系统中各个模块的输入输出信息生成.inp文件，方便读取与后续修改。

技术效果

本发明整体解决现有技术未能充分挖掘复合材料钻孔分层损伤图像信息；本发明通过依据区块亮度值即损伤程度值衰退的材料属性，将损伤程度反映在各个单元上，提高仿真精度；四边形网格平滑算法既保证边界平滑，又不影响整体网格的四边形拓扑连接结构，方便后续计算模型的剩余力学性能。

与现有技术相比，本发明充分利用超声c扫描获得的损伤信息，用图像区块的亮度值表征损伤程度，极少丢失损伤区域的信息，且表征方式便于工程人员理解。以简单的拓扑结构建立四边形网格，可以方便地控制有限元网格的规模，且网格质量较高。整个流程自动化程度高，实现从超声扫描图像到有限元计算模型的直接生成，避免构建几何模型的过程。

附图说明

图1为带孔碳纤维复合材料的超声c扫描图像；

图2为本发明流程示意图；

图3为图块划分示意图；

图4为分层因子对图块亮度的函数关系图；

图5为依据图块生成的有限元网格图；

图6为具有不同单元属性的有限元网格图；

图7为光滑算法示意图；

图8为实施例最终效果图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例涉及一种基于损伤映射有限元网格的钻孔分层量化方法，包括以下步骤：

第一步：将一张如图1所示的带孔碳纤维复合材料的超声c扫描且含有p×q个像素点的图像导入到matlab软件中，读取其rgb值；然后将rgb值存储在p×q×3的矩阵中；接着求出第三维度的平均值并转化为整型量；最后将该平均值存储在p×q的二维数组d中，d中的每一个元素为对应位置像素点的亮度。

第二步：按照所需有限元网格的精度将图像离散成m×n块，每一块定义编号i,i＝1,2,…,m×n，如图3所示。计算每一图块内所有像素点亮度的平均值，转化为整型量之后，存储在m×n的二维数组l中，l中的每一个元素为所对应的第i个图块的亮度值，也反映该图块所对应复合材料的分层程度。

第三步：对l中相同数值的元素(即相同亮度值的图块)进行聚类：先建立包含l中所有不同元素的n维向量k，n为l中不同元素的个数；再建立n维元胞数组c，将l(i)数值相同的图块编号i存储在同一元胞中。

所述的元胞数组c中的元胞与向量k中的元素具有一一对应的关系。

第四步：由于亮度值最大区域(孔洞区域)的分层损伤系数f为1，亮度值最小区域(完好区域)的分层损伤系数为0，其他区域的分层损伤系数与亮度值正相关，计算与亮度值相关的分层损伤系数其中：向量k中最大值为maxk，最小值为mink，第j个元素为k(j)，其函数图像如图4所示。

第五步：根据离散后图块的拓扑结构建立相同结构的有限元网格，如图5所示，单元编号与节点编号均采用abqus能够读取的编号方式，具体为：设置控制阈值t，在后续过程中不输出f(k(j))>t所对应的元胞c(j)中的所有单元，即不输出单元，并将剩余的其他单元作为输出单元输出，并依此分别建立输出与不输出的单元编号集set-1与set-0。

第六步：计算元胞c(j)中所有编号所对应单元的广义刚度矩阵e(j)＝e(1-f(k(j)))，其中：仿真所用材料的广义刚度矩阵为e。从而识别出有限元网格中不同分层程度的单元，并依据分层程度为其赋予不同的材料属性，赋予不同材料属性后的有限元网格，如图6所示。

第七步：对输出单元和不输出单元之间的像素化边界进行平滑处理，具体流程如下

①对输出单元的节点集与不输出单元的节点集求交集，获得边界点集nsetb；

②对于边界点集nsetb中的每一个边界点p，找出包含其本身在内的周围所有(输出)节点，对所有节点的横坐标与纵坐标分别平均后获得节点中心pc，将p点移动至p与pc连线的上的中点处，作为更新后的p点坐标，如图7所示，当遍历完所有边界点后则得到较平滑的边界。

③完成一次遍历后，依据实际的光滑效果选择是否需要增加遍历次数。

第八步：将上述得到的有限元节点坐标、单元节点编号、材料属性等写入能够被abaqus软件读取的后缀为.inp的文本文件，从而得到的具有不同材料属性并且边界光滑的有限元网格，如图8所示。最终，完成基于损伤映射有限元网格模型的分层量化，该模型与量化结果将用于更加精细化的钻孔分层评估与钻孔后残余力学性能及开孔连接件的性能仿真实验。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。