纤维增强复合材料纤维方向分布分析

纤维增强复合材料纤维方向分布分析

纤维增强复合材料是一种新型复合材料,该材料对于减轻结构质量、提高结构效率、改善结构可靠性、延长结构寿命具有其它材料无法比拟的优势。随着车辆排放标准的提高，采用纤维增强复合材料生产车身能够减轻车辆质量和减少车辆排放。然而，由于该复合材料纤维的空间排列，特别是其方向分布对复合材料的力学性能有至关重要的影响，因此有必要研究材料纤维的方向分布。通过引入方向张量，基于Moldflow软件对复合材料的成型进行模拟以获得纤维方向的平均分布,结合显微断层扫描技术以获得材料的微结构,根据材料的局部灰度值变化观察判断特定点纤维沿厚度方向的分层情况及定量判断纤维方向的分布。以车辆纤维增强注塑仪表板为例，在与仪表板纤维方向一致处取与纤维方向层成0、45°、90°的试样，通过拉伸试验测得拉伸模量，并分别利用4种局部纤维方向分析算法（即基于各向异性的高斯滤波器响应算法、基于定向距离变换的惯性矩和惯性轴算法，基于方向张量的算法、基于Hessian矩阵导出的算法）分析材料的纤维方向分布及其对材料拉伸模量的影响，并列出4种分析算法的优缺点。基于各向异性高斯滤波器的方法需要对纤维微结构中的单位球进行采样，适合应用于平面估计；基于定向距离变换的惯性矩和惯性轴的算法由于假设纤维直径为常数，因此其适用性不大；基于方向张量的算法需要与相关软件结合使用；基于Hessian矩阵导出的算法能够又快又准地确定材料纤维的局部方向分布，且鲁棒性好，适合用于计算体积加权方向分布。

本研究受到一定限制的原因是做了一些假设：①纤维是实心的而不是空心或特定空腔；②纤维横截面是圆形的。因此，在未来的研究中应该完善假设的内容，使获得的纤维方向分布更真实。

刊名：Image Anal Stereol（英）

刊期：2016年第35期

作者：Oliver Wirjadi et al

编译：赵唤