纖維增強復合材料纖維方向分布分析

纖維增強復合材料纖維方向分布分析

纖維增強復合材料是一種新型復合材料,該材料對于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)效率、改善結(jié)構(gòu)可靠性、延長結(jié)構(gòu)壽命具有其它材料無法比擬的優(yōu)勢。隨著車輛排放標準的提高，采用纖維增強復合材料生產(chǎn)車身能夠減輕車輛質(zhì)量和減少車輛排放。然而，由于該復合材料纖維的空間排列，特別是其方向分布對復合材料的力學性能有至關重要的影響，因此有必要研究材料纖維的方向分布。通過引入方向張量，基于Moldflow軟件對復合材料的成型進行模擬以獲得纖維方向的平均分布,結(jié)合顯微斷層掃描技術(shù)以獲得材料的微結(jié)構(gòu),根據(jù)材料的局部灰度值變化觀察判斷特定點纖維沿厚度方向的分層情況及定量判斷纖維方向的分布。以車輛纖維增強注塑儀表板為例，在與儀表板纖維方向一致處取與纖維方向?qū)映?、45°、90°的試樣，通過拉伸試驗測得拉伸模量，并分別利用4種局部纖維方向分析算法（即基于各向異性的高斯濾波器響應算法、基于定向距離變換的慣性矩和慣性軸算法，基于方向張量的算法、基于Hessian矩陣導出的算法）分析材料的纖維方向分布及其對材料拉伸模量的影響，并列出4種分析算法的優(yōu)缺點。基于各向異性高斯濾波器的方法需要對纖維微結(jié)構(gòu)中的單位球進行采樣，適合應用于平面估計；基于定向距離變換的慣性矩和慣性軸的算法由于假設纖維直徑為常數(shù)，因此其適用性不大；基于方向張量的算法需要與相關軟件結(jié)合使用；基于Hessian矩陣導出的算法能夠又快又準地確定材料纖維的局部方向分布，且魯棒性好，適合用于計算體積加權(quán)方向分布。

本研究受到一定限制的原因是做了一些假設：①纖維是實心的而不是空心或特定空腔；②纖維橫截面是圓形的。因此，在未來的研究中應該完善假設的內(nèi)容，使獲得的纖維方向分布更真實。

刊名：Image Anal Stereol（英）

刊期：2016年第35期

作者：Oliver Wirjadi et al

編譯：趙喚