深入到木纤维微观组织结构,具体对马尾松细胞照片进行统计分析,建立马尾松细胞的数学模型。并应用计算机图形技术设计,模拟木纤维加工过程中的细胞组织变化过程,通过其数学模型借助仿真技术和CAD技术进行动态演变,以定量模拟真实的物理切削过程中细胞组织演变的动态过程,通过虚拟现实技术来指导木纤维加工过程工艺参数的制定。
In the wood industry ,When the fiber into micron-composition was studied, the mathematic model should be set up. At the same time, the related profession such as wood science、simulation、computer graphics、sensor technique and cross much kinds of technology such as CAD‘s technique and so on should be utilized. That will establish a fictitious message environment in the many-dimensions for the study. In the study on micron_composition of the fiber, by means of the statistical analysis that adjust the hundreds of Korean Pine cell picture,established the concrete mathematical model of Korean Pine cell.Applying computer graphics technical, the rule that in three_dimensions to establish the simulated micron-composition of the fiber organization was put forward. And by means of pro_engineer、CAD technology and so on, simulating the alternating process that the cell was cutting. For different cutter thickness and cutter angle, the alternating process is different, all kinds of likelihood to study the different parameter worked on the fiber quality would be simulated. By means of these simulations, the best process technology parameter formulation would be put forwand. It is the key technology to the study of cell micron-composition in the cutting process.
全 文 ：第 wu卷 第 |期
u s s y年 | 月
林 业 科 学
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马尾松细胞外廓结构简化模型的建立与仿真
齐英杰 杨春梅 马 岩
k东北林业大学林业与木工机械工程技术中心 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 深入到木纤维微观组织结构 o具体对马尾松细胞照片进行统计分析 o建立马尾松细胞的数学模型 ∀并应
用计算机图形技术设计 o模拟木纤维加工过程中的细胞组织变化过程 o通过其数学模型借助仿真技术和 ≤⁄技术
进行动态演变 o以定量模拟真实的物理切削过程中细胞组织演变的动态过程 o通过虚拟现实技术来指导木纤维加
工过程工艺参数的制定 ∀
关键词 } 马尾松 ~细胞结构 ~模型 ~仿真
中图分类号 }≥z{t1t 文献标识码 } 文章编号 }tsst p zw{{kussyls| p ss|v p sv
收稿日期 }ussw p tu p ut ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvsxztwxxl o黑龙江省攻关项目k≤swystl ∀
Τηε Εσταβλισηµεντ ανδ Σιµ υλατιον οφ Μοδελ οφ Πινυσ µασσονιανα Φιβερ Χελλ
±¬≠¬±ª¬¨ ≠¤±ª≤«∏±°¨ ¬ ¤ ≠¤±
k Φορεστρψ ανδ Ωοοδωορκινγ Μαχηινερψ Ενγινεερινγ ανδ Τεχηνολογψ ΧεντερoΝορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ } ±·«¨ º²²§¬±§∏¶·µ¼ o• «¨ ±·«¨ ©¬¥¨µ¬±·² °¬¦µ²±2¦²°³²¶¬·¬²± º¤¶¶·∏§¬¨§o·«¨ °¤·«¨ °¤·¬¦°²§¨¯¶«²∏¯§¥¨ ¶¨·∏³q
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Κεψ ωορδσ} Πινυσ µασσονιανα~¦¨¯¯ ¶·µ∏¦·∏µ¨ ~°²§¨¯~¶¬°∏¯¤·¬²±
木材是一种天然可再生的工程材料 o木材细胞空腔多边形结构使木材的强度大大降低k成俊卿 ot|{xl ∀
马尾松k Πινυσ µασσονιαναl细胞尺寸一般 tx ∗ tsx Λ° o在木材加工中 o当切削厚度达到微米级时 o木材的细胞
就会被切破 o进行微米级切削时 o如果通过计算机预先仿真设计出木材的显微结构 o则可为木纤维加工设备
的调整及参数选择提供理论依据 ∀作为最终指导工业化试验数据的基础只能出自数学模型和计算机模拟 o
加强这方面的研究 o对木纤维的微米切削及纤维重组理论的研究具有重要的指导意义 o也关系到木纤维最终
加工的质量k马岩 ousst ~ussvl ∀马尾松是我国南方大面积栽种的针叶材树种 o在工业生产特别是在造纸和
人造纤维的生产中有着广泛的应用k侯祝强等 ousstl ∀本文研究了马尾松的细胞解剖结构参数 o并对其进行
仿真处理 o以期为木材的有效加工利用提供科学的参考和依据 ∀
t 马尾松细胞纤维组织的模型建立
切削和仿真技术对马尾松细胞组织进行分析往往只要知道外廓就可以 o木纤维细胞数学模型的建立是
进行简化模型推导的基础k马岩 oussu¤l ∀本文以马尾松木材为例 o对细胞的外廓结构进行统计分析 ∀从图
t可知 o马尾松的简化细胞断面经过随机抽取的 vs个细胞回归分布 o基本呈长方形至六棱形 o通过通用模型
的简化和试验检测的结果可建立马尾松对称细胞外廓形状的简化数学模型
Ψ ? κΞ ? β [ s
Ψ ? χ [ s ktl
图 u 马尾松细胞组织结构数学模型
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²© Πινυσ µασσονιανα
图 t 马尾松细胞微观结构
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Πινυσ µασσονιανα
χ Ρ¦²¶Η
κ χ·ªΗ
β κΤΠu n Ρ¦²¶Η
kul
式中 }Ρ为细胞横断面外廓长边长度 ~Τ为细胞横断面外廓短边长
度 ~Η为细胞横断面斜角 ~Ξ !Ψ为单个细胞横断面坐标变量 ~κ为细
胞横断面斜角斜率 ~χ为细胞纵向高度 ∀
满足式ktl的点是细胞体内的点 o满足式kul条件的点是细胞外
廓 o选取不同的实测 Τ !Ρ !Η数值 o就可以描述不同年轮位置的马尾
松细胞 ∀实际马尾松细胞的形状并不是理想状态 o按本文的统计 o用
本文导出的简化方程计算时将细胞分成 u种讨论 o利用细胞模型的
变换 o可以定义不同位置的细胞形状 o解决简化模型的精度问题 ∀
对实测 tss个马尾松细胞所得的数据进行统计分析后 o可以得
出基本对称的细胞结构k假设 Τ Ρl方程描述 ∀由图 u对 Α!Β !Χ!
∆ !Ε !Φ各点的坐标分别为 }Αk p uz1tsΠu p vz1xz¶¬±uxβ osl oΒk p
uz1tsΠu ovz1xz¦²¶uxβl o Χ k uz1tsΠu ovz1xz¦²¶uxβl o ∆ k uz1tsΠu n
vz1xz¶¬±uxβ osl o Ε kuz1tsΠu o p vz1xz¦²¶uxβl o Φ k p uz1tsΠu o p
vz1xz¦²¶uxβ osl ∀即 Α!Β !Χ!∆ !Ε !Φ各点为 }Αk p u|1wu osl ~ Βk p
tv1xx ovw1sxl ~Χktv1xx ovw1sxl ~ ∆ku|1wu osl ~Εktv1xx op vw1sxl ~ Φ
k p tv1xx op vw1sxl ∀
ΑΒ的直线方程描述为 } ψp sξ n u|1wu
vw1sx p s
p tv1xx n u|1wu kvl
同理可求出 ΒΧ!Χ∆ !∆Ε !ΕΦ!ΦΑ的描述方程 o得出马尾松细胞
包络线的方程组为 }
ψ p u1twξ p yv1sv [ s
ψ [ vw1sx
ψ n u1twξ p yv1s{ [ s
ψ p u1twξ n yv1s{ ∴ s
ψ ∴p vw1sx
ψ n u1twξ n yv1s{ ∴ s
kwl
依此法建立马尾松细胞不同位置的数学模型 o通过对细胞确切尺寸的分析 o可以描述出马尾松细胞在各
年轮段包络线的具体方程 ∀这些基础工作可以为细胞理论提供数学依据 o在计算机中建立细胞的数学模型
数据库k马岩 oussu¥l ∀在加工中针对不同树龄马尾松的数学模型进行模拟 o产生细胞可视化的计算机图形 ∀
u 木纤维细胞显微组织仿真的三维计算机图形构成原则
木纤维细胞显微组织仿真技术是对木纤维切削过程中细胞显微组织进行可视化图像设计的一种有效手
段 ∀三维仿真算法的构成原则分为以下几个步骤 }tl 将三维细胞空间形状离散成大量微小间距的近似二维
平面微元 o每个平面再离散成大量六边形的线段微元 o对每一微元赋值以代表其取向状态的随机数 o细胞面
微段存在于不同取向的微元之间 ∀ul 定义所取细胞微元的邻近微元k宋晓燕等 ousssl o将其作为再取向状
态的选择范围和考察微元能量变化时取向组态的包容对象 ∀vl 逐一取二维平面的面微元 o并依次取每一平
面上的线微元做再取向的尝试 o新取向选为该微元邻居取向的状态之一 ∀wl 以细胞微元取向组态能量变化
作为标准判断微元重新组合仿真是否成功 ∀当取向组态精度降低时 o该微元在计算机的控制下实现重新取
向 ~当精度提高时 o该微元保持原取向状态 ~当精度不变时 o该微元重新取向和保持原状态的概率均等 ∀xl
引入三维空间的周期性边界条件 o模拟连续 !完整的立体纤维细胞结构 ∀
利用仿真技术描述纤维细胞组织在加工过程中的显微结构变化 o需要建立初始三维微元阵列 ∀对于单
相细胞组织 o所有微元均为多棱体构成的微元 o对于细胞组织 o初始微元阵列由多棱体微元和一定数量 !一定
形状和尺寸 !一定空间分布状态的第二相微元构成 o根据基体和第二相组织演变相互制约的物理基础 o修正
微元更换取向的有效取向概率 ∀对于细胞显微组织几何模型描述 o还可以利用一般计算机图形 !图像处理技
术进行仿真设计 ∀依据细胞组织演变的物理基础进行动态演化的显微组织模型 o可用于模拟材料制备及处
w| 林 业 科 学 wu卷
理过程中细胞微观组织变化的真实过程 o从而实时预报木纤维加工过程中表征参量变化的动态变化 ∀
v 木纤维细胞显微组织仿真的视频模拟过程
根据对木纤维的微观结构和视频图像的研究 o可以在计算机屏幕上实现对其三维空间形态的模拟再现 ∀
在此过程中涉及到图形学中的三维图形的几何变换 !投影变换和隐线处理等技术 ∀
木纤维三维图形的几何变换涉及到平移 !缩放和绕坐标原点旋转等变换 o但是在实际的木纤维图像变换
应用中 o往往需要更为复杂的变换 ∀如图 v所示 o为在计算机的二维屏幕上显示一个微米木纤维的三维立体
仿真图像 o并使之带有立体感 o这就需要将微米木纤维的图像按照细胞组织的排布方式进行三维坐标的计算
机仿真 o得到的三维图形是由图 w所示的单个细胞按照细胞组织的排列方式 !忽略个体差异所组成的 ∀在绘
制微米木纤维的三维立体图形时 o应将不可见部分删除 o或用可见部分覆盖住不可见部分 o这一过程称为三
维立体的消隐处理 ∀图 x是木纤维模拟切削加工后得到的三维立体图形 o图 y是木纤维模拟切削加工后得
到的二维平面图形 ∀类似的方式 o将对木纤维进行各种情况的切削加工参数进行模拟 o以分析试验结果 ∀
图 y 切削后细胞平面结构仿真图
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图 x 切削后细胞立体结构仿真图
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图 w 单个细胞立体仿真图
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图 v 细胞结构立体仿真图
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经过对木纤维切削前 !
切削后 !单个细胞 !核细胞组
织的排布分别进行计算机模
拟后 o将在此基础上模拟不
同切削厚度 !不同的切削角
度等参数对切削的影响 o根
据结果统计分析出来个参数
对切削出的木纤维质量的影
响程度 o以此来制定不同的
工艺流程及工艺参数 o得到
理想的微米级木纤维 ∀
w 结论
tl通过对马尾松细胞外
廓结构的简化数学描述 o分
析了马尾松细胞随年轮变化
对细胞形状的影响 o提出了
对马尾松进行细胞简化分析
来提高分析直观性的构思 ∀
ul通过马尾松细胞的外
廓结构研究 o提出了对马尾松细胞组织的外廓结构标定参数的平均值进行简化描述的基本原则 o并建立了马
尾松细胞组织的外廓结构仿真描述的步骤 ∀
vl本文为把计算机仿真技术初步应用于马尾松细胞描述提供了实用理论 o在数学模型的基础上以实用
的过程来模拟细胞外廓 o以便实际应用 ∀
参 考 文 献
成俊卿 qt|{x1木材学 q北京 }中国林业出版社
侯祝强 o姜笑梅 o殷亚方 qusst1 马尾松管胞长度分布规律及计算机随机模拟 q林业科学研究 otwkvl }uzt p uzz
马 岩 qusst1纳微米科学技术在木材工业的应用前景展望 q林业科学 ovzkyl }ts| p ttv
马 岩 qussu¤q木材横断面细胞结构的数学模型研究 q生物数学学报 otzktl }yw p y{
马 岩 qussu¥q微米木纤维定向重组细胞纤维含量的定量求解理论研究 q生物数学学报 otzkvl }vxv p vxz
马 岩 qussv1利用微米木纤维定向重组技术形成超纤维板的细胞裂解理论研究 q林业科学 ov|kvl }ttt p ttx
宋晓燕 o刘国权 o古南驹 qusss1 一个新的三维材料晶粒长大的图像仿真算法 q计算机辅助设计与图形学学报 otukul }{x p {|
k责任编辑 石红青l
x| 第 |期 齐英杰等 }马尾松细胞外廓结构简化模型的建立与仿真