这里显示的是用于制造尺寸稳定结构的激光胶带放置过程（顶部）、为低水分膨胀系数而设计和优化的碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）热塑性复合材料卫星支柱（左下）以及用于空隙分割的支柱的CT 成像，用于高 保真性能模拟的数字孪生的计量和创建（右下）。
随着纤维增强复合材料的日益普及，研究和表征3D零件的能力至关重要。这对于高性能应用尤其重要， 因为在高性能应用中，负载条件可能非常极端，并且需要绝对的性能保证。复合材料复杂的内部微观结构强调了3D分析的必要性，这对于详细的质量评估和高保真 性能模拟的数字孪生成至关重要。传统的无损视觉或表面诊断方法无法提供必要的零件深入结构数据分析。相反，计算机断层扫描(CT- computed tomography)可以为太空、 航空航天、汽车和储能等新增长行业的应用提供高精度3D结构检查和性能评估的基础。
利用扫描硬件、图像重建算法、高性能计算和图像分析软件（包括基于人工智能的技术）的最新进展，可以对复合材料的微观结构和内部几何形状提供前所未有的见解。可以分析CT扫描以提取特性并创建数字孪 生，其中将包括空隙和其他缺陷、纤维和计量信息在内 的单个特性应用于体积网格。这些数字孪生实现了性能 预测的精确、高保真的有限元模拟。重要的是，表征和 建模可以应用于制造过程的输入（原材料分析）和输出 （完成的零件和结构）阶段。
然而，复合材料 CT 扫描的分析和建模并不总是简单明了的。New Frontier Technologies（澳大利亚堪培拉， NFT）在CT扫描和3D成像分析的应用方面拥有数十年的综合研究和技术专业知识，将材料和零件的深度内部检查转化为决策、模拟、建模和认证工具。NFT最近完成了一项空间案例研究，该研究证明了基于CT 的复合材料三维分析的价值。
空间等领域具有苛刻的性能要求，只有通过最先进 的零件设计和制造才能实现这些要求。空间仪器需要在空间环境的极端热循环下具有尺寸稳定的结构。使用碳纤维复合材料的自动铺丝（AFP），可以通过仔细设计 胶带/丝束方向来实现零潮湿系数（CME-zero coefficient of moisture）和热膨胀系数（CTE-Coefficient of thermal expansion）。一个案例研究例子涉及一个500毫米长、内径为55毫 米的卫星支柱。这种零CME结构是使用碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）带和激光辅助带缠绕（LATW-laserassisted tape winding）制造的。然后进行CT检查。
图1. CF/PEEK 卫星支柱的多尺度成像。不同分辨率（体素大小为23、6和1.5µm）的分析显示了胶带叠层的3D结构和层的精确映射。
对于CT成像，扫描分辨率是由几何放大率设置的 — 粗略地说，要扫描的部分越大，分辨率就越低。对于 卫星支柱，整个零件的3D图像尽管分辨率较低，但仍为结构缺陷的计量、识别和量化提供了详细信息。
然而，对于制造优化和高保真度模拟，需要更高分辨率的扫描。这是通过采用多尺度成像工作流程来实现 的，在该工作流程中完成扫描，然后对3D-3D进行配 准，使每组在几何上空间对齐。对不同分辨率（体素大小为 23、6 和 1.5µm）的图像进行分析（图 1），可以对 胶带叠层的3D结构进行详细检查，并对不同角度放置的层进行精确映射。
多尺度CT扫描在识别结构缺陷方面非常强大，即使是那些非常小且在表面以下的缺陷。在早期的卫星支柱原型中，对胶带之间的间隙进行了检查和数字隔离。这些空隙可以与工艺数据相匹配，以确定它们出现在哪些层上。此外，还可以测量它们的宽度。这些信息被反馈到制造过程中，实现了设计和激光AFP工艺参数的精确调整，从而在随后的迭代中虚拟消除了大间隙 （<0.1%体积）（图 2）。
图2. 修改后的卫星支柱。（a）修正支柱的CT 图像，（b）显示早期原型的空隙分布和内容的图像，（c）制造优化后的修订原型，以及（d）修订管的计量。
真实3D几何形状的使用通过提供准确的高保真度模型和模拟提供了显著的价值。制造的零件及其内部微观结构可能与理想化设计和理论设计有很大不同。这种差异可能会导致性能的显著差异，如刚度、强度、失效行为和寿命耐久性。
图3. 高分辨率扫描。高分辨率CT扫描的纤维方向和纤维体积分数（FVF）分析。
多尺度成像还可以通过高分辨率扫描实现对大型 结构的高保真度模拟，用于获得制造零件的材料特性。使用在卫星支柱上获得的最高分辨率图像，绘制单个纤维的方向图，并准确计算每层的纤维体积分数（FVF-fiber volume fraction），并在管厚度上取平均值（图 3）。
图 4. 卫星支柱的多尺度仿真。（a） 体积网格， （b）高分辨率模拟，包括纤维方向的映射和（c） 整个零件的模拟。
对几个具有代表性的高分辨率区域进行了数字提取和体积网格划分，用于有限元模拟（图 4）。对于这些 区域，从先前的图像分析中获得的信息，如纤维取向和 逐步体积分数，被局部映射到每个元素（图第4b段）。这些体积用于模拟水分和热膨胀特性以及机械特性。然 后将模拟的性能应用于整个结构，以模拟其在苛刻的机 械和环境条件下的性能。这种多尺度方法的适应性意味 着几乎可以为任何复合材料零件创建数字材料孪生。
尽管CT成像越来越多地用于复合材料和结构，但材料特性的准确表征可能会带来挑战。NFT可以帮助对复合材料的任何CT扫描进行高级分析，用于零件设计、 诊断或故障调查。随着高保真数字孪生的广泛应用，内部结构的3D知识的重要性越来越明显。同样，NFT可以提供详细的几何和微观结构分析，以实现复合材料的细化和设计优化，从而满足严格的质量和性能要求。
参见原文，《 Multi-scale 3D CT imaging enables digital twinning, high-fidelity simulation of composite structures 》 2024.2.14
杨超凡 2024.2.15(正月初六)
