基于工业CT图像的工件内部裂纹自动提取与扩展分析

摘要

据统计在发生的各种零部件失效破坏中，超过85%都是由材料的疲劳断裂引起的，工件的疲劳寿命分析一直都是热门研究对象。目前通用的方法是采用有限元分析技术，对含裂纹的工件进行裂纹扩展分析，进而计算其剩余扩展寿命。其中重要一环是在有限元分析时提供裂纹的准确形位数据，在常规的无损检测中，只有高分辨率工业CT能够用于工件内部疲劳裂纹的三维成像分析，进而获取裂纹的详细形状位置信息。然而如何利用好提取出的裂纹数据使之能够应用于基于有限元的裂纹扩展分析中，目前还没有较好的技术方案。　　本文以工业CT切片图像为基础，设计出一种从三维体数据中自动提取裂纹缺陷的方法，提出一种基于裂纹缺陷点云获取无体积裂纹扩展前缘的方法，然后在裂纹的扩展有限元分析中导入提取到的裂纹前缘数据进行裂纹扩展分析，并计算出该裂纹的剩余扩展寿命。本文的主要研究成果如下：　　①在裂纹缺陷提取方面，将传统CV模型由二维扩展至三维，使其能直接对工业CT三维体数据进行分割，然后提出一种基于连通区域大小自动判断缺陷区域的方法，该方法能够自动识别定位出工件内部缺陷，进而自动计算出缺陷表面积、体积以及与工件整体的表面积比、体积比，为缺陷等级判断提供依据。　　②针对裂纹缺陷数据与有限元软件的交互问题，提出了一种基于裂纹缺陷点云的参数化方式，该方法首先使用一个椭球去拟合裂纹缺陷点云数据，得到一个光滑的椭球面，再拟合一个空间平面与椭球面相交，最终获得的空间光滑交线即可近似代替裂纹扩展前缘，将其用于裂纹扩展有限元分析将有利于降低数值误差。　　③针对裂纹缺陷数据与CAD模型坐标系不统一问题，研究了三维重建点云与CAD模型的自动配准方法，实验表明通过粗配准和精配准相结合的方式能够自动将裂纹参数和CAD模型配准到同一坐标系，为裂纹参数导入有限元分析做好准备。　　④最后基于已配准的裂纹参数坐标和CAD模型，通过导入自定义裂纹的方式，使用专业裂纹扩展有限元软件FRANC3D进行裂纹扩展分析，也验证了本文技术路线的可行性。　　该方法已成功应用于某关键零部件的安全评估，通过利用工业CT的高分辨率特性为裂纹扩展有限元分析提供准确的初始裂纹位置大小参数，使有限元分析得到的裂纹扩展寿命更为准确可信。

目录

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于 CT图像的工件缺陷定位研究现状

1.2.2 基于物理模型的裂纹扩展寿命研究现状

1.2.3 工业 CT在裂纹扩展分析方面的研究现状

1.3 课题来源

1.4 课题的主要内容与目标

1.5 论文组织架构

2 CV模型理论基础与内部缺陷检测

2.1 引言

2.2 曲线演化理论

2.3.1 水平集介绍

2.3.2 水平集的基本方程式

2.3.3 水平集的离散表达

2.4 CV模型

2.4.1 CV模型介绍

2.4.2 CV模型的水平集表示

2.4.3 CV模型的数值实现

2.5 CV模型识别工件内部缺陷

2.6 本章小结

3 基于三维CV 模型自动提取工件内部缺陷

3.1 引言

3.2 三维CV模型的推导

3.3 MC算法介绍

3.4 三维CV模型自动识别工件内部缺陷实验

3.5 本章小结

4 裂纹缺陷参数化和CAD模型配准

4.1 引言

4.2.1 椭球拟合

4.2.2 空间平面拟合

4.2.3 裂纹参数化

4.3 CAD模型配准

4.3.1 粗配准

4.3.2 精配准

4.3.3 配准实验结果

4.4 本章小结

5 基于FRANC3D 的裂纹扩展分析应用

5.1 引言

5.2 线弹性断裂力学理论

5.2.1 裂纹类型

5.2.2 应力强度因子

5.2.3裂纹扩展模型

5.3 FRANC3D软件介绍

5.4 裂纹扩展分析

5.4.1 引入自定义初始裂纹

5.4.2 裂纹扩展分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文专利

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢