Исследование структуры 3D тканей методом компьютерной томографии

В статье приводятся результаты исследования структуры 3D тканей методом компьютерной томографии. Выполнена томография образцов 3D ткани из углеродных нитей. Выполнен анализ томографического изображения ткани.

Направление создания композиционных материалов для отечественной промышленности сегодня является очень актуальной задачей. Многообразие технологических способов получения композита, различных его составляющих материалов приводит к получению требуемых эксплуатационных свойств в изделии. При этом, основную роль в получении физико-механических свойств композита, имеет не только сам армирующий материал, но и его структура, что важно для решения задач проектирования. Особенно решение задачи построения геометрической модели структуры армирующего материала актуально для 3D тканых и 3D плетельных технологий, которые позволяют получать повышенные механические свойства композитов, не склонных к расслоению. Если теория строения однослойной ткани достаточно широко изучена [1], то единой теории строения 3D тканей для различных технологических процессов ее получения нет.

Ряд исследований [2-10] показал, что микроструктура тканых композитов значительно варьируется в зависимости от типов пряжи, сетки ткани, структур связывания и условий переплетения. Эти исследования продемонстрировали необходимость разработки общего метода моделирования при рассмотрении разновидностей трехмерных тканых структур, с помощью которых можно было бы обсудить факторы, влияющие на свойства трехмерных тканых композитов, чтобы облегчить конструкцию трехмерных тканых заготовок. Различные авторы для описания структуры 3D тканей предлагают многообразие моделей.

В [11] разработана геометрическая модель структуры 3D ткачества, в которой основное внимание уделено моделированию угла ориентации пряжи и объемной доли волокна факторам, которые определяют характеристики композиционных материалов. Для этой цели была разработана геометрическая модель на основе следующих допущений:

• поперечное сечение всех нитей имеет форму ипподрома, однородную по плотности упаковки и геометрии вдоль их длин;
  
• утки имеют прямую конфигурацию вдоль их длины;
  
• траектория нитей при отклонении их по длине описывается секциями прямых частей, соединенных дуговыми отрезками.
  

Согласно предположенной модели, связующие и перекосы представляют собой сборку прямых и дуговых секций.

Примером, проиллюстрированным на рис.1, является геометрия основной нити в трехмерной тканой структуре с блокировкой угла с переплетением по толщине.

Из геометрического рисунка можно получить угол ориентации основной нити (рис.2).

а) угловое пересечение б) ортогональное пересечение

Анализ данной модели показал, что на основе сделанных геометрических допущений при абсолютно прямых утках, для формы поперечного сечения утков в виде ипподрома задача построения геометрической модели 3D ткани решена методами простой аналитической геометрии. Необходимо отметить, что геометрическая модель 3D ткани ориентирована на объем ячейки периодичности — раппорт ткани (представительский объем).

В [12] разработана модель композиционного материала, позволяющая прогнозировать его разрушающую или предельную нагрузку в зависимости от составляющих композит компонентов, в том числе армирующих элементов структуры. Для решения поставленной задачи предложено весь композит разбить на произвольные объемные элементы в виде параллелепипеда, представленного на рисунке 3.

Каждый объемный элемент содержит три твердые деформируемые составные нити, которые можно назвать «включениями». Каждое из этих включений представляет собой гомогенизированный однонаправленный композит. Кроме того, предполагается, что вся осевая линия и форма поперечного сечения каждого включения внутри объемного элемента могут быть полностью охарактеризованы относительно выбранной глобальной системы координат {x, y, z}. Такая характеристика должна быть обеспечена геометрической моделью каждого конкретного текстильного композита. На рисунке 4 показано, как рассматриваемый объемный элемент дискретизируется на несколько «под-объемов» тремя наборами взаимно ортогональных плоскостей.

Как показано на рисунке 4 каждый суб-объем может содержать только материал матрицы или материал матрицы и один материал включения, или материал матрицы, и два материала включения. В более общих случаях суб-объем может содержать матрицу и три или более материала включения или полностью заполняться одним связующим. На следующем этапе происходит гомогенизация всех отдельных суб-объемов в нашем исходном объемном элементе чтобы получить очень простую модель материала.

В [13] геометрическая модель 3D тканей построена на основе топологического кодирования многослойного переплетения путей нитей основы. Каждый слой 3D ткани, согласно разработанному алгоритму, может быть закодирован как последовательность кодов уровней, а всякое переплетение — как матрица, пример которой показан на рисунке 5.

Матричное кодирование однослойного переплетения также представляет собой шаблон шахматной доски, если уровень 0 представить с помощью черного квадрата, уровень 1 — белым квадратом.

Разработанный алгоритм построения геометрической модели 3D ткани реализован в программном обеспечении WiseTex. Не останавливаясь более подробно на анализе возможностей программного обеспечения WiseTex, можно сказать, что оно ориентировано на решение материаловедческой задачи в представительском объеме небольших размеров — наиболее рационально в раппорте ткани с дальнейшим применением методов гомогенизации для распространения свойств представительского объема материала на весь материал конструкции. Данные работы подтверждают актуальность построения геометрической структуры армирующего материала композита.

Вместе с тем не менее актуальной задачей является проверка адекватности разработанных или предлагаемых моделей. Для решения данной задачи предлагается использовать методы компьютерной томографии. Для получения точной геометрической информации о расположении нитей в структуре ткацких переплетений данный метод является наиболее точным, тем более, что степень детализации исследуемого образца можно регулировать вплоть до различения филамент нитей. Степень детализации структуры текстильного материала, применяемого для армирования композита зависит от поставленных задач, которые рассматриваются на микро, мезо или макро-уровнях. Излишняя детализация деталей исследуемого образца приводит к неоправданному увеличению объемов выходного файла томографа и соответствующим сложностям его последующей обработки.

Для исследования структуры 3D ткани были изготовлены образцы методом ткачества на экспериментальной установке в ОАО КНИИЛП, описанной в [14]. Для изготовления образцов использовалась крученая с К =20 кручений/метр углеродная нить с линейной плотностью 98×3 Текс производства НПЦ УВИКОМ. Размеры исследуемого образца 30×30×20 мм. Томографические исследования выполнялись в Группе компаний «Остек» г. Владимир на системе GE v|tome|x m300.

GE v|tome|x m300 — многоцелевая рентгеновская КТ система для 3D-метрологии и анализа с напряжением до 300 кВ и мощностью до 500 Вт. Система позволяет распознавать детали размером менее 1 мкм. При использовании двух трубок одновременно (микрофокусной и дополнительной нанофокусной) можно получать детальную 3D информацию для широкого диапазона образцов: от наноКТ высокого разрешения для слабо-поглощающих образцов до сложных микроКТ приложений, таких как инспекция турбинных лопаток. GE v|tome|x m300 имеет возможность оснащения всем необходимым для 3D метрологии для измерений линейных размеров с точностью 4+L[мм]/100 мкм.

В дополнение к двухмерному измерению толщины стенок, данные компьютерной томографии могут быть быстро сопоставлены с САПР-данными, например, для анализа всего компонента и сравнения всех его размеров с заданными. Параметры томографа при проведении исследований и их значения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты томографии образца представлены на рисунках 6 — 8. Компьютерная обработка изображений велась с помощью специализированного программного обеспечения Volume Graphics.

Анализ координат центров уточных нитей поперечных сечений, аналогичных представленному на рисунке 3, по всему объему образца позволил установить их дрейф по координатным осям в пределах 10% от диаметра нити по всей ее длине. Это значит, что фаза строения данной ткани очень близка к 9 фазе, в которой утки остаются прямыми на протяжении всей своей длины. Заметим, что понятие фазы строения ткани введено только для традиционной однослойной ткани и рассчитать ее по известным формулам для 3D ткани невозможно. Таким образом, по томограмме, возможно определение фазы строения ткани. Интересным представляется факт получения в исследуемом образце 9 фазы строения ткани при использовании одинаковой линейной плотности основных и уточных нитей. Например, в [13] предложено фазу строения ткани определять через поиск минимума потенциальной энергии взаимодействия системы нитей. Тогда при взаимодействии нитей одинакового диаметра должна получаться фаза строения с 4 по 6, однако на практике этого не наблюдается.

Очевидно, что фаза строения 3D ткани зависит от большого количества параметров технологического процесса изготовления, а не только от параметров образующих ее нитей. Одной из основных задач томографических исследований является задача определения центров основных и уточных нитей. Данная информация необходима для возможности построения структуры ткани после ее изготовления. При этом возможен учет всех технологических погрешностей при получении армирующей структуры и оценка ее отклонения от спроектированной структуры в CAD системе.

Для решения данной задачи интересна информация, представленная на рисунке 2, где в результате программной обработки исходного изображения определено направление филамент в нити. Использование данной информации и алгоритмов распознавания изображений дают возможность решения задачи определения расположения центров нитей в сечении 3D ткани и, следовательно, повысить точность геометрической модели армирующей структуры композита для последующих расчетов в CAE системах.

Вывод:

Применение методов компьютерной томографии позволяет получать подробную информацию о структуре ткани, с помощью которой можно определить:

• порядок фазы строения 3D ткани
  
• при разработке специализированного ПО — траектории основных и уточных нитей
  
• оценить погрешность изготовления спроектированной 3D структуры ткани после ее изготовления
  

Список литературных источников

1. Muhammad Owais Raza Siddiqui «Geometrical Modelling and Numerical Analysis of Thermal Behaviour of Textile Structures», submitted for the degree of Doctor of Philosophy Heriot-Watt University School of Textiles and Design August 2015, p.206.
   
2. Pochiraju K. and Chou T.W., «Three-dimensionally woven and braided composites, II: Prediction», Polymer Composites, 1999. Vol.20, No.4: 565-580.
   
3. Dadkhah M.S., Cox B.N. and Morris W.L., «Compression-compression fatigue of 3D woven composites», ActaMetall. Mater., 1995. Vol.43, No.12: 4235-4245.
   
4. Tung P.S. and Jayaraman S., «Three-dimensional multilayer woven preforms for composites», In: High-tech Fibrous Material, Vigo T.L and Turbak A.F. editors, Washington ACS Press, 1991. 53-80.
   
5. Emehel T.C. and Shivakumar K.N., «Tow collapse model for compression strength of textile composites», Journal of Reinforced Plastics and Composites, 1997. Vol.16, No.1: 86-101.
   
6. Brandt J., Drechster K. and Mohamed M., «Manufacture and performance of carbon/epoxy 3-D woven composites», Proceedings of the 37th International SAMPE Symposium, March 1992: 864-877.
   
7. Arendts F.J., Drechsler K. and Brandt J., «The application of three-dimensional reinforced fiber-preforms to improve the properties of composites», Proceedings of the 34th international SAMPE Symposium, May 1989: 2118-2129.
   
8. Naik N.K. and Thuruthimattam B.J., «Behavior of 3-D orthogonally woven composites under tensile loading», Journal of Composite Technology and Research, 1999, Vol.21, No.3: 153-163.
   
9. Hill B.J., Mcllhagger R. and Harper C.M., «Effect of internal structural changes on the properties of multi-layer fabrics for composite reinforcement», Polymers & Polymer Composites, 1995. Vol.3, No.2: 105-115.
   
10. Coman F. Herszberg L. Bannister M. and John S., «Design and analysis of 3D woven preforms for composite structures», Science and Engineering of Composite Materials, 1996. Vol.5, No.2: 83-96.
    
11. Xin and YI Honglei «Geometric analysis of 3D wowen structures and determination of fiber volume fractionding» College of Textiles, Dong Hua University, Shanghai 200051, PR China ID 1039
    
12. Bogdanovich А.Е. «Progressive Failure Modeling and Strength Predictions of 3-D Woven Composites» 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference 4 — 7 May 2009, Palm Springs, California, 3TEX, Inc., Cary, North Carolina, 27511
    
13. S.V. Lomov, D.S. Ivanov, G. Perie, I. Verpoest «Modelling 3D fabrics and 3D-reinforced composites: challenges and solution» 1st world conference on 3D fabrics, Manchester 9-11.04.2008
    
14. Киселев М.В. Селиверстов В.Ю., Киселев А.М., Ляпунов Л.С. Проектирование и разработка технологии получения 3D-тканых полотен для производства композиционных материалов повышенной прочности// Корпоративный журнал дивизиона «Двигатели для гражданской авиации» АО «ОДК» Трамплин к успеху. № 10. 2017. С. 36-37.