基於 CT 影像進行纖維基複合材料的建模與斷裂行為模擬

概述

由於複合材料的複雜結構和材料特性，碳纖維增強材料的測試通常比較困難。為解決這個問題，島津公司（Shimadzu）和 Cybernet Systems 的研究人員開發了一個可以比較 CAE 分析與織物材料真實測量的工作流程。

本案例研究展示了 CAE 分析的工作流程，採用微焦 X 射線 CT 系統掃描碳纖維增強熱塑性（CFRTP）織物材料，獲得其內部結構。將掃描結構導入 Simpleware 軟體重建後進行多尺度分析和微觀尺度的斷裂行為模擬。測試系統的實測與 CAE 多尺度分析結果的比較可論證該技術的價值。

亮點

使用 Simpleware 軟體重建複雜複合材料的內部結構
使用 CAE 工具進行多尺度分析模擬（例如 Multiscale.Sim），有助於深入了解材料性能
此方法幫助行業內結合測量和分析技術，以更高效的進行材料和產品設計

碳纖維複合材料分析挑戰

用於運輸的碳纖維增強材料和其他複合材料可以設計為減重和環保的複合材料。但複合材料內部結構的複雜性和材料性能的各向異性導致測試會比較困難，需要一種實際測量與模擬相結合的產品設計方法應對這一挑戰，這對具有複雜材料性能和變形行為的纖維增強複合材料尤為重要。

為了解決這個問題，研究人員開發了一個包含 Simpleware 軟體作為其中一環的 CAE 分析工作流程，比較 CAE 分析與實際測量的結果。採用微焦 X 射線 CT 系統掃描碳纖維增強熱塑性（CFRTP）織物材料獲取內部結構，然後進行多尺度分析，類比微觀尺度的斷裂行為。將測試系統的實測結果與 CAE 多尺度分析結果進行對比，論證該技術的價值。

分析複合纖維的微觀結構及材料性能

為利用均質化技術預測材料的物理性能參數值，需要提供用於分析模型的微觀結構形態作為已知量。使用 Ansys 的 Multiscale.SimTM 外掛程式基於微觀結構的形態參數生成模型，對預設的結構數據（模型1）和採用微焦 X 射線 CT 系統（inspeXio SMX-225CT FPD HR，Shimadzu）掃描的 CFRTP 織物材料生成的結構數據（模型2）進行虛擬材料測試/數值材料測試（NMT）。

將影像數據導入 Simpleware 軟體中識別纖維束的橫截面形狀、間距和體積分數，然後利用 Ansys CAE 軟體和 Multiscale.Sim 進行虛擬材料試驗，對一個單元格在不同變形模式和其他條件下從每個方向的應力-應變特性獲得三個方向的各向異性彈性模量。另外，通過對矩形試樣模型的電算分析估量微觀尺度的應變分佈。

圖：在 Simpleware 軟體中透過影像處理識別微結構形態參數

拉伸實驗取得實際測量數據

利用精密萬能試驗機（AGXTM – V，島津公司）和非接觸式數字影片引伸計（TRViewX（SP.1.0.0），島津公司）從試樣中獲取與載入同步的單軸拉伸試驗（實際測量）圖像數據。通過應力應變關係得到試樣的縱向彈性模量（楊氏模量），利用數位圖像相關（DIC）技術獲得試樣表面的應變分佈。

圖：CFRTP 試件單軸拉伸試驗場景

為了識別材料限制，還透過在虛擬空間中排列記錄的 CT 影像以顯示任何所需橫截面的影像來獲取測試樣本的 MPR（多平面重建）影像。這種方法可以很容易地觀察到碳纖維的排列和界面。

比較 CAE 分析和實際測量結果

使用預設結構資料和影像資料的兩個模型進行模擬，後者顯示不均勻的纖維束。將 CAE/NMT 確定的彈性模量與單軸拉伸試驗（實測）進行比較。兩次結果之間，單軸拉伸試驗的彈性模量為 55.46（GPa），而預設結構資料的彈性模量為 32.56（GPa），誤差較大。相比之下，模型 2 顯示為 51.75 (GPa)，因此接近測量值。

圖：實測名目應力-名目應變曲線與 CAE 結果比較

在這種情況下，模型 1 便於進行簡單的分析，但不像從 X 射線 CT 成像中獲取的模型2可以提供精確的結果。一般來說，研究表明需要進行材料測試驗證 CAE 的結果，且 X 射線 CT 對於獲取 CFRTP 織物複雜的微觀結構形態具有重要意義。

在利用 CAE 分析評估應變分佈時，纖維束中纖維的間距與交替的低應變態和高應變態的狀態顯示定性一致。然而，目前還無法對物理測量和虛擬測試間的應變數進行更精確的定量比較。

結論

本研究採用的分析技術對於通過典型材料的 CFRTP 織物預測複合材料的各向異性行為具有重要的參考價值。對內部結構模型和分析結果的實際測量驗證表明，X 射線 CT 有助於提高 CAE/NMT 的準確性，

因此，這些方法能夠預測非常複雜的物理現象，如各向異性複合材料中的物理現象，顯示出結合實際測量和計算機輔助模擬的重要性。日本計算工程與科學學會進行的高品質計算和標準模擬程式工作正在尋求改進驗證的嘗試，是更廣泛的國際上推動比較真實結果與模擬結果的一部分。採用這種方法，可以有針對性地進行更高效的材料和產品設計。

參考資料