基於 micro-CT 影像進行拉伸載荷下的三維編織複合材料建模與有限元模擬
概述
編織複合材料由於其結構特性，特別是在厚度方向的增強作用，使其在航空航太等工業領域得到廣泛應用。 與傳統材料相比，三維編織複合材料還可以降低製造成本和時間，但仍需要設計和測試，以便更好地理解漸進損傷並進行失效分析。 在多尺度建模中，理解基礎微觀結構和缺陷對失效的影響歷來都是具有挑戰性的。 使用 Simpleware 軟體基於影像的建模方法與 NCYL 多尺度代碼則解決了這些問題，從微觀到細觀和宏觀，在不同的長度尺度上生成精確的網格。
亮點
- 採用多尺度建模方法（NCYL 程式碼）可對 3D 編織複合材料進行漸進損傷和失效分析
- 透過 micro-CT 在 Simpleware 軟體中進行建模進行微結構缺陷的原位研究
- 節省計算資源，並加深對高價值材料的瞭解
利用 Simpleware 軟體進行多尺度網格劃分
使用 Simpleware 軟體的新方法可以在不同長度尺度上產生高保真度和計算精確的模型。模型用於理解全切片和代表性體積元素 (RVE) 尺度上微觀和宏觀尺度之間的關係。使用不同的 SkyScan Micro-CT 系統（1173；1076；1076）來獲得不同長度尺度的圖像，從 2” x 1” 樣品到半切片和全切片。 半切片資料用於 Simpleware 軟體中的高解析度手動分割，以減少導出的有限元素模型的大小，以提高計算效率。 使用 Simpleware 軟體，可以直接從顯微 CT 資料中分割單一纖維和基質區域，並對原位缺陷進行建模。
圖：不同尺度顯微 CT 設定參數對比
在 Simpleware ScanIP 模組對圖像數據中每根纖維束進行分割並重建成三維結構。 由 micro-CT 資料創建的Simpleware 模型重現了複合材料中的原位微觀結構缺陷。
圖：Simpleware ScanIP 拉伸試樣中的纖維分割
有限元模擬結果
掃描影像數據的代表性體積單元（RVE）也是在 Simpleware FE 中進行網格劃分獲得，可用於捕捉幾何缺陷。
Simpleware 軟體支援將生成的有限元網格匯出為 LS-DYNA, Ansys, Abaqus 等的格式，其中包含所有的有限元和節點資訊以及纖維路徑取向。
圖：緯紗纖維束斷裂為兩半
圖：試樣的最終拉伸破壞
圖：試樣的最終拉伸失效（3D 等距視圖）
結論
分析子尺度模型 (NCYL) 也為 3D 機織織物複合材料中的漸進損傷分析提供了一個高效的計算框架。 漸進損傷和失效分析的模擬結果與實驗數據非常吻合，有助於了解緯向的面內彈性模量。 全局-局部建模策略受益於基於影像建模的原位微觀結構缺陷的考慮，而次尺度微觀力學模型能夠預測均質纖維絲束的有效非線性響應。 此方法為研究人員提供了較低的計算成本，適用於研究高價值複合材料中的大規模漸進損傷和失效分析。
參考資料
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