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1、第2 5 卷第3 期 纺织学报 V 0 1 2 5 ,N o 3 2 0 0 4 年6 月 J o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h J u n - ,2 0 0 4 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 复合材料预制件编织角测量研究 万振凯沈俊辉王希山 ( 天津工业大学,天津,3 0 0 1 6 0 ) 摘要:提出一种基于小尺度的数学形态学的三维编织复合材料预制件图像
2、的边缘检测方法。此边缘图像适合于复合材料的参 数测量,此研究对于三维编织复合材料力学性质的分析具有重要意义。 关键词:三维编织数学形态学 边缘检测编织角检测 中圈分类号:T s1 0 5 4 7文献标识码:A文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 4 ) 0 3 0 0 4 2 0 3 三维编织复合材料是由三维编织预制件增强的 一种新型复合材料。三维编织复合材料预制件表面 编织角是重要的结构参数之一,是编织纱线在表 面沿织物成形方向的夹角,见图1 中的a 角。图2 为实际编织复合材料预制件的表面结构图。表面编 织角是否均匀与增强后复合材料性质有着重要关 系。然而,目前三维编织
3、复合材料预制件表面编织 角的测试仍处于手工测量方式。 用计算机和数学理论分析三维编织复合材料预 制件图像特征,测量表面参数对于研究复合材料的 微观结构具有一定的理论意义和实用价值。 图l理想三维编织复合图2 实际三维编织复合 材料预制件表面图材料预制件表面图 1 基于数学形态学的边缘提取算法 数学形态学1 是由一组形态学的代数运算子组 成的。最基本的形态学运算子有腐蚀、膨胀等。利 用这些运算子及其组合可进行图像形状和结构的分 析及处理。 腐蚀是消除物体所有边界点的过程,膨胀是将 与某物体接触的所有背景点合并到该物体中的过 程。先腐蚀后膨胀的过程具有消除细小物体、在纤 细点处分离物体和平滑较大物
4、体的边界时不明显改 变其面积的作用;先膨胀后腐蚀的过程具有填充物 体内细小孑L 洞、连接邻近物体,在不明显改变物体面 积的情况下起到平滑其边界的作用。 设6 是一个结构元素,令输入图像厂( 算,y ) 被6 采用腐蚀运算,则边缘检测算子为: G 。( 戈,y ) = ( 并,y ) 一,( 省,y ) 6 ( 茄,y ) = ( 髫,) ,) 一m a x 厂( 菇一i ,一_ ,) ( 2 ) 本系统中采用L 形结构元素,可表示为: D 一= ( 0 ,1 ) ,( 0 ,0 ) ,( 1 ,0 ) 设表示灰度函数,( x ,y ) 被结构元素D 腐 蚀的结果,则式( 2 ) 可表示为: G
5、 := m i n ,( 名,y ) 一( 算,y ) ,( 戈,y ) 一( x ,) ,( z ,) ,) 一( 咒,y ) , ,( 戈,y ) 一( x ,y ) ( 3 ) 式( 3 ) 表示对用4 种结构元素分别求得的边缘 检测算子取最小值。实验证明,结构元素的大小不 同,提取的图像边缘特征也不同。小尺寸的结构元 素去除干扰能力弱,但能检测到好的边缘细节;大尺 寸的结构元素去除干扰能力强,但所检测的边缘较 粗。本文采用小尺寸的数学形态学边缘检测算子进 行边缘提取。 复合材料预制件边缘图像一般都会有间隙出 现,需要对边缘点进行连接。针对三维编织复合材 料预制件表面图像的纹理特征,选用
6、了一种阈值 法bo 。具体来讲,如果像素( s ,) 在像素( 咒,) 的邻 域且它们的梯度幅度和梯度方向分别满足以下2 个 条件( 其中r 是幅度幅值,A 是角度幅值) : lW ( 戈,y ) 一町( s ,t ) I r ( 4 ) P ( 戈,y ) 一妒( s ,f ) A( 5 ) 则把( s ,) 上的像素和( 茹,) ,) 上的像素连接起 来形成连续图像。 2 表面编织角测量 根据复合材料自身的纹理特征,提出一种基于 腐蚀,式( 1 ) 便是图像厂( 戈,) ,) 和它的腐蚀的差。 一 G d ( 菇,y ) :厂( 咒,y ) _ 二厂( 石,y ) 6 ( 戈,) ,) (
7、 1 ) 天津市自然科学基金课题项目编号:0 1 3 6 0 1 2 1 1 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 4 年第3 期 纺织学报 【4 ,j 】 一一一一 曲线拟合的测量复合材料编织角的方法,其原理如 图3 所示。在三维编织复合材料的边缘图像上,实 际的纹理单元的边缘并不是理想的单像素宽的、无 噪声的直线段,采用一种基于邻域搜索的、间隔行扫 描的方法在编织单 元上有效取点,如图 3 所示的口l ,n 2 , 0 3 ,0 4 ,n
8、 5 ,通过最 小均方误差拟合,得 到一条直线,、( z ) = 图3 测量编织角的示意图 c 。+ c 戈,可以分别得到编织单元的2 条边A B 和 c D ,通过直线方程可以知道这2 条边的倾角a 和p , 测出复合材料的编织角= ( I 口一aI ) 2 。 曲线拟合过程就是用来确定系数c 。,c 。的最佳 取值,以使该抛物线到定点的误差最小。用曲线拟 合的方法计算复合材料的编织角的具体算法步骤: 1 ) 设置初始行值L ,间隔行值M ,取样点数。 2 ) 扫描该行图像,当搜索到一个黑色像素点时,检测 该像素点的8 邻域,若其邻域像素点的个数不小于 2 ,则将该中心像素点记为A ( 戈。
9、,。) ,继续向后搜 索对遇到的下一个非连续的黑色像素点记为曰( x 。, y 。) ,n = O ,1 ,2 ,。3 ) 在第凡肘+ K 行遇到的像素 点数小于2 ,则图像上可能有间断点,对该行的上一 行或下一行进行扫描。4 ) 当行号不超过棚+ K + 3 或H M + K 一3 行时,重复执行第3 ) 步,直到在该行 扫描2 个像素点。5 ) 当n 小于时,每问隔肘行, 循环执行第2 ) 、3 ) 、4 ) 步的操作。6 ) 对得到的点集A ( 戈。y 。) 运用最小均方误差算法,得到函数厂( z ) = c 。+ c 戈的系数c 的值。7 ) 根据系数c 得到直线 的倾角a = a r
10、 c t g ( c ,) 。8 ) 根据点集日( 戈。,y 。) 得到另 一条直线的倾角p 。9 ) 计算编织角= ( fp 一口1 ) 2 。 3 结果与分析 对图4 所示的复合材料图像选取左上方和右下 方2 个不同的部位进行测试。选择的左上方图像及 其边缘图像如图5 所示,用所述算法进行实验测量 ( 由于篇幅所限,仅列出1 0 个角) ,所得到的编织角、 编织角的平均值与方差的 结果如表l 所示。 对三维编织复合材料 分别使用传统手工测量 法、傅立叶谱分析法。4 、曲 线拟合法测量得到的平均 图4 复合材料图像 角度数据如表2 所示。 ( 8 ) 左上方复合材料图像 ( b ) 左上方边
11、缘图像 5 左E 方复合材料图像及边缘图像 表l曲线拟合法左上方图像测试结果( 。) 表2 左上方图像不同测量方法的平均角度测试结果( 。) 选择的右下方图像及其边缘图像如图6 所示, 用所述算法进行实验测量( 由于篇幅所限,仅列出 1 0 个角) ,所得编织角及编织角平均值与方差结果 如表3 所示。对三维编织复合材料分别使用传统手 工法、博立叶谱分析法、曲线拟合法得到的实验结果 如表4 所示。 表3曲线拟合法右下方图像测试结果( 。) 表4 右下方图像不同测量方法的平均角度测试结果( 。) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www
12、.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 5 卷第3 期 2 0 0 4 年6 月 纺织学报 j o u m a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 5 N o 3 J u n ,2 0 0 4 机织复合材料弹性模量极值分析法 王春敏 ( 天津工业职业技术学院,天津,3 0 0 1 3 4 ) 摘要:采用镶嵌模型和卷曲模型,对纺织复合材料弹性常数进行分析,得出平纹织物刚度常数和柔度常数的极值。 关键词:纺织复合材料刚度常数柔度常数 中图分类号:T s1 0 64文献标识码:A文章编号:0 2 5 3 9 7
13、 2 1 ( 2 0 0 4 ) 0 3 0 0 4 4 0 4 纺织复合材料是以织物形式作为增强物的复合 材料。纺织结构包括机织、针织、编织和无纺织物, 在这些结构中,机织物在复合材料中的应用最广。 由于织物在成型过程中,纱线发生卷曲,故涉及到织 物模型,I s h i k a w a 提出镶嵌模型,使力学分析得以 简化;N K N a i k l 2 1 提出二维机织物的卷曲模型,使模 型与织物结构更加接近,并与实验结果吻合较好。 复合材料弹性性能分析已提出层合板研究的能量 法、平均法等,但极值法独特优点在于应用弹性力学 理论,确定模量的上下限。 1 弹性力学的极值法 极值法是利用能量极值
14、原理来确定多相材料弹 性常数上、下限的方法。P a u l 【3 1 于1 9 6 0 年首先用弹 性力学能量极值方法研究多相材料弹性常数上、下 限,其工作主要用于颗粒增强各向同性复合材料。 也可用于解释纤维增强复合材料。一般取复合材料 单层板典型单元体作为代表性体积单元。随后利用 等应变法和等应力法,来求出模量( 刚度) 和柔量的 上、下限。 1 1 确定弹性模量的下限 当弹性体变形时,其应变能为: 1r u = 音I 盯;。d y 厶JV 此式称为应变能方程,其中仃。和e 。分别为实际 应力场和应变场。 根据弹性体的应力一应变关系,上式可以写成 应力的函数以,并称为余能;也可写成应变的函数
15、 以,并称为势能。 由最小余能原理:仉矿 设典型单元体单向拉伸,满足平衡方程和边界 条件的允许应力场为: 盯! = d ,盯:= 盯! = r :,= r 乞= r := o 则由应变能方程和应力一应变关系可得允许应 力场所对应的允许余能为: l | ,“| | _ | _ | _ | _ | l | 1 本文提出了一种基于小尺度的数学形态学的三维编 织复合材料图像的边缘检测方法。进而测量复合材 料的编织角,这是一种针对复合材料预制件图像测 量较为理想的处理方法。 参考文献 ( a ) 右下方复合材料图像( b ) 右下方边缘图像 图6 右下方复合材料图像及边缘图像 从实验结果看出,用曲线拟合
16、的方法对复合材 料的不同部分进行编织角的测量,得出的结果与手 工测量的误差小于l 。,与傅立叶谱测量法的误差也 在1 。左右,可见,该方法可以用于复合材料编织角的 实际自动测量。 4 结束语 复合材料的参数测量是复合材料应用前提 。 l 吴德龙等纺织结构复合材料的力学性能长沙:国防科技大学 出版社,1 9 9 8 :1 8 3 。2 2 0 2 J P r e w i t t 0 b j e c tE n h a n c e m e n ta n dE x t r a c t i o n ,i nB u p k i n 蛐dA , R o s e n 腑l d ,e d s ,P i c t
17、u r eP r o c e s 8 i n g8 n dP s y c h 叩i c t o r i c s N e wY o r k : A c a d e m i cf e s s ,1 9 7 0 :1 2 0 0 3R E D u d ae ta 1 I ) a t t e r nC l a s s m c a t i o na n dS c e n eA n a l y s i s N e wY o r k : W i l q ,1 9 7 3 :2 0 0 一2 7 3 4 万振凯等三维编织复合材料预制件表面图像滤波与纹理分析 研究中国图象图形学报,2 0 0 0 ( ) :9 5 8 9 6 2 5 万振凯等三维编织复合材料预制件表面编织角检测与不匀分 析研究纺织学报。1 9 9 9 ( 6 ) :3 9 4 1 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark
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