這里顯示的是用于制造尺寸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的激光膠帶放置過程（頂部）、為低水分膨脹系數(shù)而設(shè)計和優(yōu)化的碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）熱塑性復(fù)合材料衛(wèi)星支柱（左下）以及用于空隙分割的支柱的CT 成像，用于高 保真性能模擬的數(shù)字孿生的計量和創(chuàng)建（右下）。

隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的日益普及，研究和表征3D零件的能力至關(guān)重要。這對于高性能應(yīng)用尤其重要， 因為在高性能應(yīng)用中，負(fù)載條件可能非常極端，并且需要絕對的性能保證。復(fù)合材料復(fù)雜的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了3D分析的必要性，這對于詳細(xì)的質(zhì)量評估和高保真 性能模擬的數(shù)字孿生成至關(guān)重要。傳統(tǒng)的無損視覺或表面診斷方法無法提供必要的零件深入結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析。相反，計算機(jī)斷層掃描(CT- computed tomography)可以為太空、 航空航天、汽車和儲能等新增長行業(yè)的應(yīng)用提供高精度3D結(jié)構(gòu)檢查和性能評估的基礎(chǔ)。

利用掃描硬件、圖像重建算法、高性能計算和圖像分析軟件（包括基于人工智能的技術(shù)）的最新進(jìn)展，可以對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部幾何形狀提供前所未有的見解。可以分析CT掃描以提取特性并創(chuàng)建數(shù)字孿 生，其中將包括空隙和其他缺陷、纖維和計量信息在內(nèi) 的單個特性應(yīng)用于體積網(wǎng)格。這些數(shù)字孿生實現(xiàn)了性能 預(yù)測的精確、高保真的有限元模擬。重要的是，表征和 建模可以應(yīng)用于制造過程的輸入（原材料分析）和輸出 （完成的零件和結(jié)構(gòu)）階段。

然而，復(fù)合材料 CT 掃描的分析和建模并不總是簡單明了的。New Frontier Technologies（澳大利亞堪培拉， NFT）在CT掃描和3D成像分析的應(yīng)用方面擁有數(shù)十年的綜合研究和技術(shù)專業(yè)知識，將材料和零件的深度內(nèi)部檢查轉(zhuǎn)化為決策、模擬、建模和認(rèn)證工具。NFT最近完成了一項空間案例研究，該研究證明了基于CT 的復(fù)合材料三維分析的價值。

案例研究：CF/PEEK 衛(wèi)星支柱

空間等領(lǐng)域具有苛刻的性能要求，只有通過最先進(jìn) 的零件設(shè)計和制造才能實現(xiàn)這些要求。空間儀器需要在空間環(huán)境的極端熱循環(huán)下具有尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。使用碳纖維復(fù)合材料的自動鋪絲（AFP），可以通過仔細(xì)設(shè)計 膠帶/絲束方向來實現(xiàn)零潮濕系數(shù)（CME-zero coefficient of moisture）和熱膨脹系數(shù)（CTE-Coefficient of thermal expansion）。一個案例研究例子涉及一個500毫米長、內(nèi)徑為55毫 米的衛(wèi)星支柱。這種零CME結(jié)構(gòu)是使用碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CF/PEEK）帶和激光輔助帶纏繞（LATW-laserassisted tape winding）制造的。然后進(jìn)行CT檢查。

 

圖1. CF/PEEK 衛(wèi)星支柱的多尺度成像。不同分辨率（體素大小為23、6和1.5µm）的分析顯示了膠帶疊層的3D結(jié)構(gòu)和層的精確映射。

對于CT成像，掃描分辨率是由幾何放大率設(shè)置的 — 粗略地說，要掃描的部分越大，分辨率就越低。對于 衛(wèi)星支柱，整個零件的3D圖像盡管分辨率較低，但仍為結(jié)構(gòu)缺陷的計量、識別和量化提供了詳細(xì)信息。

然而，對于制造優(yōu)化和高保真度模擬，需要更高分辨率的掃描。這是通過采用多尺度成像工作流程來實現(xiàn) 的，在該工作流程中完成掃描，然后對3D-3D進(jìn)行配 準(zhǔn)，使每組在幾何上空間對齊。對不同分辨率（體素大小為 23、6 和 1.5µm）的圖像進(jìn)行分析（圖 1），可以對 膠帶疊層的3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)檢查，并對不同角度放置 的層進(jìn)行精確映射。

多尺度 CT 成像，模擬

多尺度CT掃描在識別結(jié)構(gòu)缺陷方面非常強(qiáng)大，即使是那些非常小且在表面以下的缺陷。在早期的衛(wèi)星支柱原型中，對膠帶之間的間隙進(jìn)行了檢查和數(shù)字隔離。這些空隙可以與工藝數(shù)據(jù)相匹配，以確定它們出現(xiàn)在哪些層上。此外，還可以測量它們的寬度。這些信息被反饋到制造過程中，實現(xiàn)了設(shè)計和激光AFP工藝參數(shù)的精確調(diào)整，從而在隨后的迭代中虛擬消除了大間隙 （<0.1%體積）（圖 2）。

 

圖2. 修改后的衛(wèi)星支柱。（a）修正支柱的CT 圖像，（b）顯示早期原型的空隙分布和內(nèi)容的圖像，（c）制造優(yōu)化后的修訂原型，以及（d）修訂管的計量。

真實3D幾何形狀的使用通過提供準(zhǔn)確的高保真度模型和模擬提供了顯著的價值。制造的零件及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)可能與理想化設(shè)計和理論設(shè)計有很大不同。這種差異可能會導(dǎo)致性能的顯著差異，如剛度、強(qiáng)度、失效行為和壽命耐久性。

 

圖3. 高分辨率掃描。高分辨率CT掃描的纖維方向和纖維體積分?jǐn)?shù)（FVF）分析。

多尺度成像還可以通過高分辨率掃描實現(xiàn)對大型 結(jié)構(gòu)的高保真度模擬，用于獲得制造零件的材料特性。使用在衛(wèi)星支柱上獲得的最高分辨率圖像，繪制單個纖維的方向圖，并準(zhǔn)確計算每層的纖維體積分?jǐn)?shù)（FVF-fiber volume fraction），并在管厚度上取平均值（圖 3）。

 

圖 4. 衛(wèi)星支柱的多尺度仿真。（a） 體積網(wǎng)格， （b）高分辨率模擬，包括纖維方向的映射和（c） 整個零件的模擬。

有限元分析模擬結(jié)果

對幾個具有代表性的高分辨率區(qū)域進(jìn)行了數(shù)字提取和體積網(wǎng)格劃分，用于有限元模擬（圖 4）。對于這些 區(qū)域，從先前的圖像分析中獲得的信息，如纖維取向和 逐步體積分?jǐn)?shù)，被局部映射到每個元素（圖第4b段）。這些體積用于模擬水分和熱膨脹特性以及機(jī)械特性。然 后將模擬的性能應(yīng)用于整個結(jié)構(gòu)，以模擬其在苛刻的機(jī) 械和環(huán)境條件下的性能。這種多尺度方法的適應(yīng)性意味 著幾乎可以為任何復(fù)合材料零件創(chuàng)建數(shù)字材料孿生。

盡管CT成像越來越多地用于復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)，但材料特性的準(zhǔn)確表征可能會帶來挑戰(zhàn)。NFT可以幫助對復(fù)合材料的任何CT掃描進(jìn)行高級分析，用于零件設(shè)計、 診斷或故障調(diào)查。隨著高保真數(shù)字孿生的廣泛應(yīng)用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的3D知識的重要性越來越明顯。同樣，NFT可以提供詳細(xì)的幾何和微觀結(jié)構(gòu)分析，以實現(xiàn)復(fù)合材料的細(xì)化和設(shè)計優(yōu)化，從而滿足嚴(yán)格的質(zhì)量和性能要求。

參見原文，《 Multi-scale 3D CT imaging enables digital twinning, high-fidelity simulation of composite structures 》 2024.2.14

楊超凡 2024.2.15(正月初六)