连某某维复合材料微观结构的量化分析

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16  连 续 纤 维 复 合 材 料 微 观 结 构 的 量 化 分 析  维普资讯 http://doc.001pp.com 2006年 7 月  连 续 纤 维 复合 材 料 微 观 结构 的量 化 分 析  孙  江 , 肖  琪  (1.XX学 院机 电工程学 院 ,浙江  314001;2.嘉 ***工程训 练中心 ,浙江  314001)  摘要 :本文通过对连续 纤维 复合材料微观 图像 的量化分析 ,获取其二阶 密度 函数 K(r),并以 K(r)为主要 函数建 立 目标 函  数 ,利用 maf lab的遗传优化 工具箱得 出代表体单元 。得 出的代表 体单元在力 学性 能上基 本反映 了原某某 结构 的力学性能。  关键词 :连某某维复合材料 ;微观 结构;二 阶密度 函数 ;代表体单元  中图类 号 :TQ327.1  文献标识码 :A  文章编 号 :1003一O999 (2006)04—0016—04  1 前 言  连 续纤 维 与树脂 可 用不 同 的工艺 制备 各种 复合   材 料 制 品。这 些制 品 由于单 位某某 量 的强度 及 弹性 模  量 较传 统 金属 材料 高 和一些 其 它特殊 性 能 而被广 泛  应用于航空航天、建筑、化工 、交通运输及体育等行  业 中。连某某维复合材料的研究包括制备工艺和性  能研 究 。对其 性 能的研 究必 然 涉及 到微 观结 构形 态  的分 析 。连续 纤维 复合 材 料微 观形 态一般 都 是 随机  分布的。以往对其性能的分析为了简化计算 ,将微  观结 构形 态视 为 纤维 按 一 定规 则 排 列 ,因 而选 择 的  代表体单元 (RVE)为纤维按正方形 排列或按六角  形排列。这样 的代表体单 元可使力学模 型简化 ,但  却与 实 际 的微 观结 构形 态 有较 大 的差距 。  早在 8O年代 ,James,Torquato,Stell等 人 采 用数   值 图像 处理 技术 获取 复合 材 料 中异质 相 的空 间相 关  函数 ¨ J。之后 ,Povirk也采用数值 图像 处理技术 ,  通过指示 函数及对指示 函数的频谱 密度 的分析 ,找  出具有周期特性 的复合材料代 表体单元 H]。近年  来 ,Zeman采用 Rely等人提 出二 阶密度 函数 ,通过  遗传优化算法对两相复合材料进行分析处理 ,以得  到其 代 表体 单元 ,进 而应 用 代 表 体 单 元 分 析 纤 维 复  合材料 的性能 J。本文介 绍 了微观 形态 的分 析方  法 ,利用二阶密度 函数对模拟二相复合材料作分析 ,  选 出其 代表 体单 元 ,并 对 其性 能作 分 析 。  2 复合材料微观结构 的数值 描述  对任一 由两相介质随机组成的复合材料微观图  像 ,文献 [5]对 复合材 料微观结构采用指示 函数 ,  (x,Ot)和 n点 概率 函数作 数值描述 。指示 函数 ,  (x,仅)定义 为 点 x位 于某某 Ot的 r相 区域 时为 1,否  则 为零 。用 数学 式 表示 即为 :  Xr(x,仅):f  ∈D,(  。  (1)  t0  ∈ D , (仅)  式 中 Dr(Ot)表示 在样 本 Ot中 r相 占据 的 区域 。假 设  r=m ,其 中 m为基体相 , 为增强相。例如 ,对于  具有圆形截面的纤维浸蘸树脂所形成 的复合材料 ,  以厂F标表示纤维 ,m下标表示树脂 ,则指示 函数  (x,Ot)和  (x,Ot)有 下述 关 系 :  r(x,仅)+  (x,仅)= 1。  (2)  以指 示 函数乘 积 的样本 平 均值 表示 n点概率 为  S  ..,r (x1...,x ) =Xr,(xl,Ot)…   (x ,Ot)。  (3)  由于 n点概率 在 描述 复合 材 料微 观结 构时 非常  难操作 ,实际上仅使用它 的一 、二 阶函数 ,也 即在 戈  点 发现 r相 的一 点 概率 函数  S,(x) =  (x,仅)  (4)  在两 点 x、x 点 同时发 现 r相 、s相 的两 点概 率 函数  S (x,x )=  ( ,Ot)置 (x ,Ot)。  (5)  一 般 情 况 下 要 找 出这 些 指 示 函数 还 是 相 当 困  难 ,因此 常用 的处 理 办 法 是 将 材 料 看 成某某 统 计 均 质  的。这样 就有  S,(x)= S  (6)  S (x,x )= S (x—x )  (7)  进一步再将介质看 成某某 统计各 向同性的。这样 S  (x—x )可 以简化 成  S (x,x ) =S (1 l x—x l 1)。  (8)  对材 料作 出各 态 历 经 的假 设 时 ,可 用 r相 的体 平 均  c,值来代替一点概率函数 s,,即  S,=c,  (9)  下述 用 s,和 S 描述 一碳 纤维 /环 氧树 脂复 合材 料 的  收稿 日期 :2005—11-02  基金项 目:XX省科学 自然基金项 目 (Y604170);**_*科研 项 目 (20051888)  作者简介 :孙某某 (1963一),女 ,博士 ,副教授 ,主要从事复合材料性能研究及结构设计 。  2006年 第4期  玻 璃 钢 /复 合 材 料  微 观结 构 。例如 将 图 1的实 际微 观结 构 理想 化地 处  理成图 2的二值 (黑 白)图象 。  维普资讯 http://doc.001pp.com 17  图 1 碳/环氧树脂复合材料 的微 观形态  Fig.1 Micm structure morphology of carbon/epoxy  Fig.3 Second order propability funct ion Sm  curve  增 强 相 )的纤 维 复 合 材 料 来 说 ,纤 维具 有 圆 截 面 和  所取 的样 本是 沿 纤 维 的垂 直 面 获 取 ,二 阶 密 度 函 数  定义 为 以任 一纤 维 圆 截面 的 圆 心作 半 径 为 r的 圆 ,  落在该圆内的圆心数 除以样本单 位面积 的圆心数。  其 表达式 为 :  ) =  (12)  图 2 理 想 化 的 两 相 复 合 材 料 的微 观 结 构  Fig.2 Idialized compo site microstructure with two phases  图 2的微观结构可看成特征 函数值 ,(x,ot)的  离散 图象 ,它 由 M ×N 点 阵 构 成 。对 于统 计 上 各 态  历经 的和统计某某 的介质 ,由  行 和  列 的象素值  , (x,ot)就可得到一点和两点概率函数 ,如下式 :  1  M  N  5r  r(  ),  (1o)  其 中 A是 样 本 的 面 积 ;N 是 样 本 中纤 维 的数 目;Ik  (r)是 以 r为半径 的圆 内所包 括 的纤 维 的数 目;加,是  修正 系数 J。 由图 2所 得  (r/R)曲线 ,见 图 4。R  是纤 维半 径 。  S (m,n) =  ∑ ∑ ,(i√)  (i+m√+凡),  ‘  =Jn  (11)  式 中 ,i =max(1一m,1), JIf=min(  ,M —m);  =  ma x(1一n,1),JN=min(N,N一凡)o  借 鉴文 献 [1],将 5 (m,n)表 示 为 一 个 参 量 的  函数 5 (r)。5 (r)是 在 (m,n)点 处 、在 半 径 为 r的  圆内平均 5 (m,n)的值获得 。对图 2采用公式 (2)  所得 出的纤维含 量 5,=c/=0.5065,采用公式 (11)  并 处理 为一 个参 量 的函数 所得 的基 体 的二 阶概 率 函  数 5一(r/R)曲线 如 图 3所示 。R为纤 维 的半径 。  S 反 映 了 纤 维 相 在 样 本 中所 占的 比 例 ,而 S  反映了纤维的分布情况 。可用 s 和 s 构筑 代表体  单元 ,但操作起来 比较复杂 J。文献 [5,6]不用 由  指示函数形成的两点概率 函数 s ,而是采用二 阶密  度函数寻求代表体单元 。对于具有两相 (基体相和  图 4 二 阶 密 度 函数 曲线  Fig.4 S e ncond intensity f unction curve  文献 [5]采用遗传优化算法 ,用  (r)函数可找  出具 有不 同纤 维 数 目的代 表体 单元 。其 优 化模 型 如  下 :对一给定代表体单元 中的纤维数 Ⅳ,尺寸  和  以及 原始 的  (r)( (r)将 在  点 被评 价 , =1,  2,…Ⅳm),找出在代表体单元 中纤维的位置 ,以使  F(x)  [  ‘  l  7rri  ]  min  (13)  其 中 ,x={ l,Yl, 2,Y2,… ,  Ⅳ,YⅣ}o  这 样通 过 对原 始 图像 微 观 结 构 的量 化 分 析 ,找  出一阶概率 函数 5,和二阶概率 函数 5一或二阶密度  函数 ,就可以找出原图像微观结构的代表体单元 。  维普资讯 http://doc.001pp.com 18  连某某 维复合材料微 观结构的量化 分析  2006年 7月  3 数值计算及 分析  为 了简 化 计算 ,本 文某某 一个 5×5mm 正 方 形 框  内随机 生成 55个互 不交 迭半 径 为 R=0.2mm 的 圆 ,  如图 5.5 X5mm正方某某代表 5 X5 X5mm立方体 ,  即基体 。正方形内的圆代表半径 为 0.2mm长度 为  5mm 的纤维 。这样 ,在此立方体 内纤维的体积百分  比含量  =0.276。对 应 图 5的  (r/R)曲线见 图 6。  根 据  (r/R)曲线 ,以公 式 (13)为 目标 函数 ,用 Mat.  1ab7.01的遗传算法工具箱寻找 出与原图 5有同样  纤 维 含 量 百 分 值 ,并 有 使 目标 函 数 达 到 适 当 小  ( <10  )的25个纤维及 12个纤维的代表体单元 ,  见 图7 a及 b)(以平面图表示 )。用 Ansys对代表体  单元进行有限元分析 ,分析其在平面应变情况下在  , Y两个 方 向 的弹 性 模 量  和 E 和 在  面 内的  剪切 模量  ,并 将结 果 与在 一正 方形 内只有 一个 纤  维的代表体单元  、E 、  作 比较 。计算中,玻璃纤  维及环氧树脂基体的参数 见表 1。图 5和图 7计算  结果 见 表 2。  圈 圈  a)25个  b)1  c)1个   a)25个  b)12个  c)1个  图 7 纤维 的代表体单元  Fig.7 Fiber RVE  表 1  2400tex E一玻 璃纤 维和环氧树脂 的弹性模 量和泊松 比  Tablel 2400tex E-glass f iber and epoxy properties  注 :表 1中数据引 自文献 [7]。  表 2 计算结果  Table 2 Calcu l ation results  图 6 二 阶密度函数 曲线  Fig.6 Second intensity function curve  由表 2的计 算 结果 可 以看 出 ,利 用 二 阶 密度 函  数 (r)经优化得 出的代表体单元 与一般 的正方形  只有一个纤维 的代表体 单元相 比,一是可以体现 出  原 微 观结 构在 水 平 和垂 直方 向 弹性 模 量 的差 ,二 是  水平弹性模量和面内剪切模量更接近原某某结构 的  弹性模 量 。由此 可 以看 出 ,性 能 分 析 时 可 利 用二 阶  密度 函数 K(r)经优化得 出的代表体单元替代原微  观结 构 。  4 结 语  本 文通 过对 连续 纤 维复 合材 料微 观 图像 的数值   分析 ,获 取二 阶密度 函数  (r),以  (r)为 主要 函数   建立 目标函数 ,见公式 (13);利用 maflab7.01遗传  优化工具箱得出代表体单元 ,得 出的单元均能较好  地 反 映原微 观 结 构 的性 能 。 由此 可 以看 出 ,性 能 分  析时二阶密度函数 K(r)经优化得 出的代表体单元  可 用 于某某 原 结构 。  参考 文献  [1]James G Berryman.Measurement of spatial correlation funct ions u-  sing image processing techniques[J].J Appl Phys,1985,57:  2374-2384.  [2]Yeong C L Y,Torquato S.Reconstructing random media[J].Physi-  cal Review E,1998,57:495-506.  [3]Yeong C L Y,Torquato S.Reconstructing random media,Ⅱthree-di·  mensiunal mediafrom two-dimasional cuts[J].Physical Review E,  维普资讯 http://doc.001pp.com 2006年 第 4期  玻 璃 钢 /复 合 材 料  1998.58 :2z4_233.  『4]Povirk G L.Incorporation 0f microstructural informat ion into models  of two—phase materials[J].Act o Metal Mater,1995,43:3199-3206.  [5]Zeman J,S cjnohaM.Numerical evaluat ion of efect ive elast ic prop·  erfies 0f graphitef ibertowimpregnated by polymermatrix[J].Jour-  nal of the Me c hanics and Physics of Solids,2001,49:69-90.  [6]Matous K,Leps M,Zeman J a nd S cjnoha.Applying genet ic a lgo-  rithmsto sele c ted topics commonly encountered in engineering prae·  t ice [J]. Comput Methods Appl Me ch Engrg,2000,190:  1629.1650.  .  · [7]Bai J,Seeleuthner P a nd Bompard P.Me chanical behaviour of 55  filament.wound glass·fiber/ epoxy resin tubes:I Microstructural  an anlyses,mechanicalbe haviouran d damagemechanism of compos·  ite tubes un der pure tensile loading,pure internal pressure,an d tom。  bined loading[J].Comp osites Science a nd Te chnoloty,1997,57:  】4】.】53.  NUM  RL  EVALUA Ⅱ oN 0l F CoM口E’oSITE  ⅡCRoSTRUCTURE 、)l唧 CoNI'D  oUS FⅡlER  SUN Jiang,ⅪAO Qi  (Jiaxing Unirersity,Zhejiang 3 14001,China)  Abstract:Through numer ical eva luat ion of the composite microstructure wit h cont inuous f iber,t he paper pres—  ented t he sencond intensity funct ion K(r)and t hen a represented volume element of t he or igina l composite micro-  structure by creating an object function based on K(r)and using Maf lab genetic a lgorit hm toolbox.rI'Ile r epr esented  volume element cai1 represent the original composite mi crostm cture .  Key words:composite wi th continuous fiber;micr ostructur e ;second intensit y funct ion;repr esented voluine el—  em ent  (上 接第 15页 )  [2]孙某某等.复合材料泡沫夹层结构力学性能 与试验方法 [J].玻  璃钢/复合材料 ,2005,2:3-6.  [3]ASTM D 638—0oM,ISO 527 2-1993,Tensile Propertie s ofPlast ics  (Metric)[s].  [4]ASTM D638—0oM,ISO 527 2-1993,Modulus ofElast icityinTen·  sile[S].  [5]ASTM D 1621-00,COl ̄l' egf live Pr叩  ∞of Rig id Cellular Plf lgtic s (fiat  wis e c ompressive s ̄.slh 0f Sandwich c ontct ̄'uetion s)[s].  [6]ASTM c 273-00,Shear Te st in Flat wis e Plane of Flat Sandwich  Con struct ion or Sa ndw ich Cores(in Compression)[S].  M ECl  旺(’AL PRoPERT匝  oF PⅣⅡ FoAM  USED D HIGH SPE=ED TRAD  SUN Chun—fan g,LI W en—xiao,XUE Yuan —de,HU Pei  (Schol of Aerospace Eng ineering a nd Applied Mecha nics,Tongji Unive 内容过长,仅展示头部和尾部部分文字预览,全文请查看图片预览。 s of this resin system under dynamic an d isothermal condition are estab—  lished.T h is invest igat ion shows t hat t he rheologic character istics conforln w i t h Arrhenius rheologic mo d els. Th e  computation results of these models are consistent wi th the test data.The study can provide the powerful support f or  the establishment an d optimization of th e cyan ate ester resin system proccess.  Key words :cya nate ester resin;rheologica l character istics;resin t ra nsfer molding(RTM)  [文章尾部最后500字内容到此结束,中间部分内容请查看底下的图片预览]请点击下方选择您需要的文档下载。

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