核心提示：在纖維增強(qiáng)塑料（FRP）的加工過(guò)程中，有關(guān)生產(chǎn)工藝的詳細(xì)信息對(duì)于工藝和質(zhì)量控制都非常重要。因此，如今的加工設(shè)備都配備了復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，用于監(jiān)控溫度、壓力或加工速度等各種工藝參數(shù)。

在纖維增強(qiáng)塑料（FRP）的加工過(guò)程中，有關(guān)生產(chǎn)工藝的詳細(xì)信息對(duì)于工藝和質(zhì)量控制都非常重要。因此，如今的加工設(shè)備都配備了復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，用于監(jiān)控溫度、壓力或加工速度等各種工藝參數(shù)。

然而，要說(shuō)明最終部件的特性，樹脂／基質(zhì)成分、孔隙含量、纖維含量、分布和取向等局部材料特性是最重要的。本文以熱固性復(fù)合材料--碳纖維增強(qiáng)片狀模塑料（C-SMé）為例，說(shuō)明如何在材料生產(chǎn)過(guò)程中在線收集有關(guān)局部纖維取向的信息，生成半成品的數(shù)字圖像。來(lái)自數(shù)字圖像的信息可用于實(shí)時(shí)過(guò)程控制和質(zhì)量評(píng)估。

此外，這些信息還可用于離線生成材料模型輸入數(shù)據(jù)和下游制造過(guò)程模擬，從而對(duì)未來(lái)部件的機(jī)械性能進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

圖1顯示了SMC半成品標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線的示意結(jié)構(gòu)。在第一步驟中，在切割單元（2）將預(yù)定長(zhǎng)度的短切碳或玻璃纖維分配到樹脂和載體膜上之前，將樹脂體系施加到載體膜（1）上。經(jīng)過(guò)壓實(shí)裝置后，將半成品卷起并儲(chǔ)存，以備后續(xù)熟化。

C-SMC半成品生產(chǎn)的工藝鏈

為了創(chuàng)建C-SMC半成品的數(shù)字圖像，需要在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄纖維的取向。Leibniz-Institut für Verb undwerkstoffe GmbH（IVW）為此使用了一種名為偏振成像的光學(xué)圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用碳纖維表面的偏振特性對(duì)非偏振光進(jìn)行入射。偏振相機(jī)捕捉反射的偏振光，在隨后的數(shù)字化過(guò)程中，從原始數(shù)據(jù)中解讀出纖維方向信息。

為了確保能清晰地看到散射纖維的平面圖，偏振相機(jī)（3）被直接放置在切割機(jī)的后面。然后，相機(jī)以規(guī)定的時(shí)間間隔捕捉視場(chǎng)內(nèi)材料的圖像，形成一疊圖像。這些圖像組合在一起，形成半成品卷筒的連續(xù)整體圖像(4)。

通過(guò)系統(tǒng)的硬件評(píng)估軟件，將相機(jī)捕獲的原始數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為所需的圖像分量光強(qiáng)度、線偏振度（DOLP）和線偏振角（AOP）。在數(shù)字化過(guò)程中，不同軟件組件的組合使用該圖像數(shù)據(jù)來(lái)提取所需的纖維取向信息。

為了簡(jiǎn)化解釋，圖2顯示了使用已經(jīng)壓制的C-SMC樣本的示例的數(shù)據(jù)提取過(guò)程。使用圖像分量光強(qiáng)度和DOL P，可以遮蔽圖像中沒(méi)有偏振或具有圖像缺陷的所有區(qū)域，例如曝光過(guò)度的像素。

數(shù)字圖像的后處理。a）根據(jù)原始數(shù)據(jù)（強(qiáng)度、DOLP、AOP）生成的數(shù)字圖像，具有灰度級(jí)的纖維取向張量。b）為數(shù)字圖像著色，以實(shí)現(xiàn)更好的可視化。c）用于評(píng)估各向異性的直方圖。d）FE模型分辨率光柵化作為確定光纖定向張量的基礎(chǔ)。e）纖維取向張量的可視化

結(jié)果是初始灰度圖像a），其顯示了在圖像平面中可視化的纖維取向角?？梢詰?yīng)用顏色映射b）來(lái)改進(jìn)對(duì)人眼的分析，并且可以生成清楚地顯示優(yōu)選纖維取向和各向異性的直方圖c）。

如果數(shù)字圖像用作計(jì)算和模擬的基礎(chǔ)，那么關(guān)于纖維取向角的信息是不夠的。許多模擬模型使用纖維取向張量（FOT）作為纖維取向計(jì)算的基礎(chǔ)。FOT是一個(gè)對(duì)稱的二階張量，它描述了小體積內(nèi)纖維取向的概率分布。FOT的特征值和特征向量可用于確定主纖維方向。由于FOT是一種概率分布，因此僅指定圖像像素中的纖維取向角不足以確定張量。

因此，在圖像平面上創(chuàng)建網(wǎng)格d），并且通過(guò)評(píng)估每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)的圖像像素來(lái)確定FOT。在e）中，每個(gè)網(wǎng)格單元的FOT表示為橢球。在該表示中，可以在測(cè)量表面上的任何點(diǎn)直接評(píng)估對(duì)準(zhǔn)和各向異性程度。

C-SMC半成品卷的纖維定向數(shù)字圖像捕獲的一個(gè)主要目標(biāo)是使用它來(lái)生成用于壓縮成型過(guò)程的后續(xù)過(guò)程模擬的輸入信息（圖3）。在執(zhí)行數(shù)字化過(guò)程后，可以在任何位置提取FOT信息，以創(chuàng)建SMC電荷的數(shù)字表

示。在該過(guò)程中，電荷中的各個(gè)切口的FOT可以應(yīng)用于FE網(wǎng)格的各個(gè)元素，或者該信息可以作為均勻化的平均值應(yīng)用于整個(gè)FE網(wǎng)格。

這不需要在模擬方法領(lǐng)域有任何新的發(fā)展，因?yàn)樵S多模擬方法已經(jīng)使用基于Folgar和Tucker方程的宏觀模型來(lái)計(jì)算纖維取向的演變，因此直接使用FOT信息。

最后，壓縮成型模擬的FOT結(jié)果可以傳遞到數(shù)字工藝鏈的下一階段，通常是翹曲或結(jié)構(gòu)模擬。其結(jié)果是基于材料生產(chǎn)的真實(shí)記錄數(shù)據(jù)形成了一個(gè)連續(xù)的數(shù)字過(guò)程鏈。