第一部分

 

圖 1：對玻璃纖維增強片材模塑化合物(SMC- sheet molding compound)進行的定向分析。每個方向都用某種顏色編碼。該取向數(shù)據(jù)可用于獲得纖維在厚度上的取向分布，以驗證流動模擬并為結(jié)構(gòu)模擬提供可靠的數(shù)據(jù)

隨著復(fù)合材料制造的進步迅速拓寬了零件幾何形狀、材料和結(jié)構(gòu)策的可能性范圍，還必須實施新的計量和微觀結(jié)構(gòu)研究方法，以確保產(chǎn)品的持續(xù)改進和可靠性。航空航天和其他使用復(fù)合材料的行業(yè)長期以來一直依賴于視覺、聲學(xué)、超聲波，最近還依賴于基于射線照相的法，以及用于表面尺寸檢查的坐標測量機（CMM-coordinate measuring machine）。根據(jù)時間、成本、產(chǎn)品復(fù)雜性和所需的安全程度，每種無損檢測（NDT- non-destructive tests）都扮演著不同的角色。

由于許多復(fù)合材料產(chǎn)品—無論是消費品、運動品、汽車還是航空航天產(chǎn)品—都突破了重量輕和性能的極限，因此對最終使用安全、風(fēng)險規(guī)避和業(yè)務(wù)可持續(xù)性來說，深入的內(nèi)部零件檢查變得更加重要。

計算機斷層掃描的作用

計算機斷層掃描（CT）掃描及相關(guān)數(shù)據(jù)分析和可視化是當(dāng)今復(fù)雜產(chǎn)品的理想選擇。近年來，在X射線斷層掃描、高性能計算、軟件算法和用戶界面方面取得了長足的進步，這些技術(shù)可以交流復(fù)雜的數(shù)據(jù)，CT掃描和數(shù)據(jù)分析從中受益。CT技術(shù)的獨特之處在于，它可以在360度視圖中穿透大多數(shù)金屬和復(fù)合材料的復(fù)雜層。然后通過最先進的軟件處理該原始數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建包括數(shù)百萬體素（單個3D 元素，類似于 2D 像素）的維度精確的3D體積圖像。

 

圖 2：編織物的局部取向直方圖顯示為黃色。使用這些直方圖的主要方向，工程師可以測量覆蓋過程后材料的局部剪切角。

這種軟件創(chuàng)建的數(shù)字輸出和彩色編碼的3D圖像都提供了復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的驚人細節(jié)，允許進行設(shè)計和制造時的比較。一系列專業(yè)的數(shù)字工具可用于分析材料密度、加固結(jié)構(gòu)的方向、源自設(shè)計和制造缺陷或過載的內(nèi)部缺陷，以及使用數(shù)字體積相關(guān)性對樣品不同狀態(tài)進行多次掃描計算得出的應(yīng)變模式。

當(dāng)今商業(yè)和實驗類型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的CT掃描數(shù)據(jù)分析的綜合能力是廣泛的。任何結(jié)構(gòu)都可以根據(jù)其設(shè)計意圖進行捕捉和表征。可以創(chuàng)建模板來自動快速重復(fù)地分析零件特征和問題。這包括孔隙率分析（例如，孔隙體積和距表面的距離）；局部纖維、織物和粗紗方向的纖維和樹脂分析；以及導(dǎo)出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如取向直方圖或取向張量（圖 2）、纖維體積分數(shù)、樹脂內(nèi)的孔隙率等。所有數(shù)據(jù)都可以導(dǎo)出到有限元分析工具中，用于改進材料建模和結(jié)構(gòu)模擬，從而能夠建立用于研發(fā)和部件設(shè)計的比較模型。在適當(dāng)?shù)那闆r下，這些分析甚至適用于在線檢測（ILI- inline inspection）。

經(jīng)典復(fù)合材料與分析

最常見的商業(yè)復(fù)合材料屬于聚合物基復(fù)合材料（PMC）類別，包括先進的碳纖維和玻璃纖維增強復(fù)合材料（CFRP 和 GFRP）。由長多股陶瓷纖維制成的陶瓷基復(fù)合材料（CMC ）在高溫應(yīng)用中也得到了認可，在抗裂性、熱行為和斷裂韌性方面顯示出比“技術(shù)陶瓷”顯著的優(yōu)勢。

 

圖 3：孔隙度（左上和上）和纖維取向（右上）可以使用單個 CT 掃描進行可視化和量化。這兩個結(jié)果都可以映射到有限元網(wǎng)格（底部中心）上，以局部用作結(jié)構(gòu)分析的材料建模輸入，或驗證過程模擬。

這些復(fù)合分組，甚至CMC，都可以受益于相同的CT 掃描分析技術(shù)，用于確定缺陷、性能和質(zhì)量規(guī)范狀態(tài)。這只是擁有合適尺寸的掃描機并選擇合適的掃描策略和分析設(shè)置的問題。根據(jù)手頭的材料，每種纖維結(jié)構(gòu)（短、長和連續(xù)）、疊層圖案（單向或每層具有指定角度）和粘合材料（樹脂、織物、硅等）都有檢測解決方案。此外，分析本身可以被捕獲和自動化（圖1）。

 

圖 4：帶有鋁面板和開口泡沫鋁芯的夾層結(jié)構(gòu)。每個單獨的隔室可以自動分離，以生成隔室大小分布或評估細長隔室的方向。

泡沫是復(fù)合材料中使用的另一種材料，可以使用CT 數(shù)據(jù)分析和可視化軟件（圖 4）進行掃描和檢查，以更好地了解其行為。盡管已經(jīng)廣泛使用，但許多發(fā)泡工藝還沒有得到很好的理解。當(dāng)然，泡沫比固體泡沫更輕，可以在沒有高應(yīng)力的地方使用。很好的例子是在注射成型過程中的物理或化學(xué)發(fā)泡塑料。但是泡沫也被用作復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中的核心材料。與由相同致密材料或比芯部硬得多的另一種材料制成的面板相結(jié)合，可以在低重量下產(chǎn)生具有高彎曲剛度的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。因此，孔徑、材料體積分數(shù)和孔的伸長率對于理解材料的機械和熱行為至關(guān)重要。這些材料的典型應(yīng)用是使用泡沫對冷藏卡車的外殼進行隔熱。

第二部分

 

圖 1. 使用新型 SMC 材料進行現(xiàn)場試驗的應(yīng)變場。出現(xiàn)的裂紋清晰可見，并可與微觀結(jié)構(gòu)表征相關(guān)，微觀結(jié)構(gòu)表征可使用相同的數(shù)據(jù)進行。所有結(jié)果都可以映射到有限元網(wǎng)格上，以方便驗證有限元模擬的應(yīng)變場。

在這里，我將探索新型和混合復(fù)合材料的成像解決方案，并提供一個在生產(chǎn)過程中應(yīng)用 CT 分析的例子。

新型復(fù)合材料及其雜化材料的發(fā)展趨勢

混合復(fù)合材料是大學(xué)和工業(yè)研發(fā)環(huán)境中的研究課題。雖然它們的定義在最終疊層結(jié)構(gòu)方面可以是傳統(tǒng)的，但它們可以由無機納米/微米材料和顆粒以及有機物質(zhì)如亞麻、大麻和棉纖維組成。隨著新材料組合呈現(xiàn)出新的力學(xué)行為，研究其損傷行為以供研發(fā)應(yīng)用是有意義的。

一種常用的技術(shù)是原位 CT 測試，即在 CT 掃描儀內(nèi)的加載階段對材料樣品或整個部件進行應(yīng)變。在這里，材料可以同時加載和掃描，所得數(shù)據(jù)用于評估局部位移和應(yīng)變張量，以及任何出現(xiàn)的裂紋——所有這些都是 3D 的（圖 1）。但裂紋不一定必須從材料樣本的原位數(shù)據(jù)集中發(fā)現(xiàn)——也可以比較不同狀態(tài)下部件的 CT 掃描，例如現(xiàn)場測試前后。

 

圖 2. 對鋁基體中金屬玻璃制成的復(fù)合材料進行薄片分析。該零件采用氣壓滲透法生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)的顏色指示每個點的方向，并可用于生成有關(guān)方向分布的統(tǒng)計信息。

研究機構(gòu)中總是出現(xiàn)新的復(fù)合材料實驗，無論是在制造過程結(jié)果還是現(xiàn)場性能中，都不太了解內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的行為。例如， 金屬玻璃與鋁的氣體壓力滲透（圖 2）。通過這一過程生產(chǎn)這種材料仍然是新的，需要科學(xué)家獲得更多關(guān)于纖維分布和方向的信息。

先進的 CT 掃描分析可以通過在原型和測試后階段提供數(shù)據(jù)，深入了解這些挑戰(zhàn)。今天有許多軟件解決方案，使用戶能夠真正地在材料內(nèi)部進行窺視 纖維/樹脂結(jié)構(gòu)的所有生命周期階段。以下是此評估可能產(chǎn)生的典型分析能力：

計算局部纖維方向并生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如方向張量，或每個網(wǎng)格單元的局部或全局直方圖，以及材料厚度上的線性直方圖。

• 以彩色代碼或三維矢量或張量形式顯示局部光纖方向。
• 檢測材料內(nèi)部的孔隙率，無論是基體還是增強體。
• 確定各種復(fù)合材料的增強相的局部體積分數(shù)。
• 測量每個單元的泡沫的單元尺寸和伸長率，或使用相同的分析來量化高度填充的顆粒增強復(fù)合材料或粉末。
• 通過比較現(xiàn)場測試期間進行的多次 CT 掃描，使用數(shù)字體積相關(guān)性計算位移和應(yīng)變場。
• 比較多個載荷狀態(tài)下的現(xiàn)場數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)穩(wěn)健的裂紋檢測。
• 從任何有限元軟件導(dǎo)入有限元網(wǎng)格，以直接在網(wǎng)格上繪制通過原位測試測量的微觀結(jié)構(gòu)信息或應(yīng)變。

工業(yè)應(yīng)用

復(fù)合材料的制造成本正在逐漸下降，而生產(chǎn)效率正在提高。CT 提供了一種在廣泛的行業(yè)中類似地提高質(zhì)量保證的方法。

沒有哪個行業(yè)比航空航天更安全，航空航天通常采用纖維復(fù)合材料分析(FCMA- fiber composite material analysis)來確保質(zhì)量和認證。當(dāng)荷載方向確定時，其許多應(yīng)用都使用單向（UD）增強材料。直升機旋翼就是一個很好的例子。檢測這些葉片中所需和實際纖維方向之間的偏差至關(guān)重要，因為纖維只能支撐一個方向上的負載。

 

圖 3. CT 掃描分析軟件揭示了由輕質(zhì)纖維增強塑料復(fù)合材料（FRP）制成的直升機旋翼槳葉內(nèi)的纖維取向。VGSTUDIO MAX 的纖維復(fù)合材料分析模塊能夠處理纖維材料的小體積和大體積數(shù)據(jù)集。在小尺寸材料樣品中，該軟件可以顯示單個纖維。在大規(guī)模的體積數(shù)據(jù)集中，可以分析和可視化較大的結(jié)構(gòu)，如織物或粗紗。

直升機葉片生產(chǎn)的主要特點是由訓(xùn)練有素的個人進行手工作業(yè)。根據(jù)規(guī)范檢查此類安全關(guān)鍵產(chǎn)品的每個組件是否存在缺陷，如纖維沉積中的孔隙、分層或波紋。如前所述，葉片應(yīng)力最好沿纖維的縱向方向傳遞。這就是高級軟件提供的詳細方位分析發(fā)揮作用的地方。基于 CT 的分析可以揭示纖維方向的偏差，這些偏差可能因葉片而異，從而使工程師能夠輕松審查結(jié)果。在工業(yè)CT出現(xiàn)之前，檢查轉(zhuǎn)子葉片的唯一方法就是銷毀它們。這種做法消耗了大量樣本，這是一種代價高昂的做法。

自行車示例

當(dāng)涉及復(fù)合材料時，即使是自行車的開發(fā)也可以承擔(dān)航空航天任務(wù)關(guān)鍵工作的艱巨任務(wù)。CanyonBicycles 最初是一家在德國科布倫茨一家車庫里工作的小公司，但現(xiàn)在是世界領(lǐng)先的賽車、山地自行車、電動自行車、鐵人三項、健身、城市自行車和兒童自行車制造商之一。作為一家直接面向客戶的公司，Canyon 以技術(shù)創(chuàng)新、質(zhì)量、服務(wù)和設(shè)計而廣受認可。

Canyon Bicycles 配方的一部分是其嚴格的系列測試范圍。所有“安全相關(guān)”組件都在生產(chǎn)現(xiàn)場使用 X 射線和掃描數(shù)據(jù)分析進行了 100%的預(yù)測試。安全相關(guān)部件包括公路或山地自行車的把手，以及由連續(xù)碳纖維增強聚合物制成的駕駛座和剛性叉。碳纖維復(fù)合材料框架本身通過隨機抽樣與可能出現(xiàn)的制造偏差的統(tǒng)計已知目錄進行檢查。之前的研發(fā)、現(xiàn)場行為檢查和生產(chǎn)測試已經(jīng)量化了這些零件的性能和可靠性，并簡化了生產(chǎn)后檢查。

該公司的第二個檢查步驟是在其主要生產(chǎn)基地進行測試。在這里，生產(chǎn)的某些階段將再次進行 X 光檢查和軟件測試。只有到那時，自行車才組裝好。

 

圖 4. 插入顯示了自行車車把桿的原型。在撥叉軸和車把桿之間的界面處，粘合劑內(nèi)的分層或孔隙清晰可見。此類缺陷在設(shè)計的早期階段就可以檢測到，并且可以在零件進行批量生產(chǎn)之前解決。

這些測試例程的業(yè)務(wù)指標令人印象深刻。Canyon自行車在近 10 年前開始生產(chǎn)復(fù)合材料，報廢率約為20%。通過引入 X 射線和 CT 掃描以及數(shù)據(jù)分析檢查，該公司已將其報廢率降至 1%以下。此外，CT 的質(zhì)量保證測試大大有利于開發(fā)。對原型和CAD模型進行了目標性能比較。例如，在將實際性能與數(shù)字設(shè)計進行比較時，可以虛擬地“切割”原型，從而在不必破壞零件的情況下提供組件視圖。產(chǎn)品質(zhì)量高到足以為客戶提供車架、Canyon工程部件以及道路、鐵人三項和通勤叉的六年保修。

在線檢查——何時實施？

復(fù)合材料產(chǎn)品的大部分 CT 掃描和數(shù)據(jù)分析仍局限于研發(fā)階段，在研發(fā)階段對實驗室工作進行研究，然后根據(jù)制造結(jié)果進行測試。這里獲得了大量知識，通過最終的現(xiàn)場協(xié)作測試，可以對許多類型的零件的行為進行安全的假設(shè)。

但這種簡化的做法沒有考慮到更嚴格的檢查方法可能節(jié)省的總成本。以 Canyon Bicycles 為例，CT 掃描、分析和可視化的使用極大地提高了生產(chǎn)效率，相應(yīng)地減少了整個產(chǎn)品開發(fā)的勞動力，提高了客戶滿意度，改善了風(fēng)險管理，并增強了基于績效的品牌標識。其他制造工藝也可以受益于這種先進的檢測技術(shù)，包括顯微鏡和坐標測量技術(shù)。

CT 分析在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用正在上升，從金屬等主流材料到最多面的復(fù)合材料。所有關(guān)鍵任務(wù)復(fù)合材料零件都必須盡可能接近在線系列檢查。當(dāng)然，每個用例都是不同的，就像直升機葉片一樣。軟件分析和生產(chǎn)檢查的自動化使先進的 CT 掃描和數(shù)據(jù)審查對于具有競爭力的高性能復(fù)合材料零件制造商來說越來越可行。

參見原文:

1.《 Applying CT scan data analysis and visualization to composites 》2020.10.14

2. 《 Part 2: Applying CT scan data analysis and visualization to composites 》2020.11.25

楊超凡 2024.2.19