纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維方向分布分析

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種新型復(fù)合材料,該材料對(duì)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命具有其它材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著車輛排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，采用纖維增強(qiáng)復(fù)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(fù)合材料纖維的空間排列，特別是其方向分布對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有至關(guān)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(duì)復(fù)合材料的成型進(jìn)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(diǎn)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(qiáng)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(yàn)測(cè)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(yīng)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(dǎo)出的算法）分析材料的纖維方向分布及其對(duì)材料拉伸模量的影響，并列出4種分析算法的優(yōu)缺點(diǎn)?；诟飨虍愋愿咚篂V波器的方法需要對(duì)纖維微結(jié)構(gòu)中的單位球進(jìn)行采樣，適合應(yīng)用于平面估計(jì)；基于定向距離變換的慣性矩和慣性軸的算法由于假設(shè)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(guān)軟件結(jié)合使用；基于Hessian矩陣導(dǎo)出的算法能夠又快又準(zhǔn)地確定材料纖維的局部方向分布，且魯棒性好，適合用于計(jì)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(shè)：①纖維是實(shí)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(yīng)該完善假設(shè)的內(nèi)容，使獲得的纖維方向分布更真實(shí)。

刊名：Image Anal Stereol（英）

刊期：2016年第35期

作者：Oliver Wirjadi et al

編譯：趙喚