纖維取向映射
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
纖維取向映射的實例教程
、水平定向纖維、垂直定向纖維和一定取向度纖維。
從仿真結果可以看出，隨著平板的運動，纖維從漸縮針嘴流出后沿著平板運動的方向均勻排列在平板上，有良好的取向效果。模擬結果表明，柔性纖維在漸縮流場中運動時，在剪切力作用下會發生偏轉，使得纖維在流場中沿著流體流動方向獲得定向排布。當懸浮液流出流場時，纖維會沿著移動方向在平板上完成取向。
4 實驗
4.1 纖維氈取向度的表征
為了驗證仿真模型的合理性，制備了取向碳纖維，參照李森等人[18]關于纖維取向度的計算方法對纖維氈的取向度進行表征。纖維氈中纖維的取向狀態通常使用概率分布函數的矩陣(方向張量)來描述[19]。該張量的分量可用來繪制纖維的取向橢圓，其中橢圓的長軸方向表示纖維整體取向，長軸大小表示纖維整體取向程度。橢圓越狹長表示纖維整體的取向程度越高 [20] ；纖維取向度 (Preferentialalignment degree, PAD)反應了纖維取向的優劣程度，PAD 越小，纖維取向程度越差；反之纖維取向程度越好[21]。
采用濕法取向技術制備短切碳纖維取向氈，并和未取向纖維氈進行對比。其中，未取向纖維氈的制備方法如下：將制備完成的纖維懸浮液傾倒在濾網上，用薄板將纖維液涂抹均勻，抽濾掉其中的分散劑和水分后得到未取向纖維氈。分別剪取制備的未取向纖維氈和取向纖維氈試樣，觀察其取向效果。6 mm 短切碳纖維氈在不同工藝條件下的微觀圖、二階方向張量及取向橢圓如圖 12 所示。其中，a 組是未使用取向工藝制備的短切碳纖維無紡氈；b 組是采用濕法取向技術制備的短切碳纖維取向氈。a 組中纖維的排列十分混亂，取向度僅有 57%；而 b 組中短切碳纖維在經過取向后方向明顯改變，纖維絲束均沿著漸縮噴嘴移動方向排布，取向度可達 98%，取向效果顯著。
展開 來源 | Nano-Micro Letters
01
背景介紹
為實現我國2030年二氧化碳排放達峰和2060年碳中和的目標，包括電動汽車和混合瀝青基碳纖維具有優異的軸向導熱性能，如何使其軸向方向沿所需傳熱方向取向排布是制備滿足電子設備高效散熱需求的高導熱墊片的關鍵。雖然已有大量研究報道了各種方法來制備纖維取向的導熱復合材料，但是這些方法大多需要特殊的設備或者裁切后處理。本文提出了一種簡單、高效的俄羅斯方塊式堆砌工藝來取向碳纖維，經碳化處理后制備了三種不同取向方向的碳纖維定向骨架。浸漬硅橡膠后，所得制得的復合材料在纖維排列方向上展現出了優異的導熱性能，導熱系數最高達到45.01 Wm-1K-1。此外，基于碳纖維導熱性能的高各向異性，通過多次堆砌將不同取向方向的碳纖維進行組合，制備了魚骨狀的碳纖維骨架，實現了對傳熱路徑的調控。
02
成果掠影
近期，四川大學吳宏教授和郭少云教授團隊利用碳纖維各向異性的抗磁性，以一種簡單、高效的俄羅斯方塊式堆砌工藝和碳化處理制備了三種的碳纖維定向骨架。該團隊通過調控碳纖維含量、磁場方向和初始堆砌密度，骨架的厚度（0.5-1 mm）和取向方向（水平、對角和垂直）均可調控。由于定向排布的碳纖維形成了高效的聲子傳輸通路，浸漬硅橡膠后所制得的復合材料在纖維排列方向上展現出了優異的導熱性能，導熱系數最高達到45W m?1K?1。此外，基于碳纖維導熱性能的高各向異性，通過多次堆砌將不同取向方向的碳纖維進行組合，制備了魚骨狀的碳纖維骨架，實現了對傳熱路徑的調控。這種厚度和方向可調、可浸漬任何基體的碳纖維骨架制備工藝為高導熱墊片的制備提供了新的思路。
展開 借助Multiscale Designer，團隊完成了連續纖維增強復合材料船體部件的多尺度建模，通過正向建模方法優化纖維鋪層方向與含量，并將仿真模型直接導入OptiStruct進行結構優化。最終，實現船體關鍵部件減重12%的同時，抗風浪沖擊能力提升20%，并成功將 ply-by-ply結構尺寸確定流程自動化，大幅提升了船廠組件制造效率。筆者點評：該案例展現了產品在民用高端裝備領域的應用價值，其自動化建模流程為海洋工程復合材料結構設計提供了高效解決方案。
案例三：汽車制造——短纖維注塑件性能精準把控。某頭部汽車零部件企業在研發發動機進氣歧管時，采用短纖維增強塑料材料，面臨的核心問題是注塑過程中纖維取向不均導致的局部性能波動。通過Multiscale Designer，團隊將注塑仿真得到的纖維取向張量精準映射至結構網格，構建了考慮局部各向異性的材料模型，成功預測出進氣歧管在高溫工況下的變形量與應力分布。基于仿真結果優化模具設計后，產品合格率從85%提升至98%，同時減少了2輪物理樣機試制，研發周期縮短35%。筆者點評：該案例直擊汽車行業短纖維復合材料應用的核心痛點，其纖維取向映射功能具有極強的行業針對性，是實現汽車輕量化與成本控制的關鍵工具。
專家建議：從工具應用到研發體系升級的進階路徑
基于對Multiscale Designer的深度應用與行業實踐觀察，筆者為企業用戶提供三點專業建議，助力其最大化發揮產品價值：
第一，構建材料數字化數據庫是基礎。建議企業結合Altair Material Data Center，系統梳理材料組分（纖維、基體）性能數據、工藝參數與實驗結果，形成標準化材料數據庫。這不僅能提升Multiscale Designer的建模效率，更能為后續材料基因工程與正向設計奠定數據基礎。
第二，推動跨部門協同研發模式落地。
展開 本文的仿真對象為一種短切纖維復合材料(芳綸紙)，主要從宏觀的角度研究了短纖維取向隨機性對計算結果的影響。
材料的隨機性一般可以認為服從正態分布或者weibull分布。正態分布可以通過Box-Muller算法實現。Box-Muller算法是通過服從均勻分布的隨機變量，來構建服從正態分布隨機變量的一種方法。具體實現方法為：選取兩個服從
[0,1]
上均勻分布的隨機變
量
U
1
、
U
2
，
X
、
Y
滿足
則
X
與
Y
服從均值為0，方差為
1
的正態分布。
通過上述算法，可以在Fortran中生成纖維取向在[0,90]之間服從正態分布的隨機數，以下為部分代碼
Fortran中生成服從Weibull分布隨機數的方法可以參照文獻[1]。
復合材料的損傷萌生準則和損傷演化準則可以參考https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1260993。與之不同的是由于芳綸紙厚度很小，本文中只考慮了材料的面內損傷行為。
以下各圖為仿真得到的結果
圖 1 纖維取向的隨機分布示意圖
圖 2 正態分布直方圖
圖 3 材料中彌散性損傷的演化過程
圖 4 不同取向分布下的載荷位移曲線
通過上述結果可以發現隨機性的引入會明顯影響數值仿真的結果，需要恰當考慮材料的隨機性。
[1]Ghosh A . A FORTRAN program for fitting Weibull distribution and generating samples[J].
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通過Multiscale Designer，團隊將注塑仿真得到的纖維取向張量精準映射至結構網格，構建了考慮局部各向異性的材料模型，成功預測出進氣歧管在高溫工況下的變形量與應力分布。基于仿真結果優化模具設計后，產品合格率從85%提升至98%，同時減少了2輪物理樣機試制，研發周期縮短35%。
ABAQUS中帶預制裂縫XFEM的纖維混凝土開裂-纖維帶取向度（隨機、水平、垂直、特定取向度）
亮點：纖維的隨機分布角度對纖維混合基體整體性能的影響
開展帶預制裂縫的隨機亂向鋼纖維混凝土（SFRC）和定向鋼纖維混凝土(ASFRC)試件的三點彎曲靜載斷裂試驗。試件幾何尺寸如圖2.3所示，試件實際跨距L = 440 mm，試驗加載支座范圍內有效跨距S = 400 mm
摘 要：基于珠鏈模型，采用離散單元法對纖維模型進行柔性化處理；通過搭建 EDEM-Fluent 耦合仿真模型，對柔性再生碳纖維在漸縮流場中的流動取向過程進行仿真模擬。采用濕法取向技術對 6 mm 纖維進行重新取向排布制備取向氈，將仿真結果與實驗結果進行對比。采用模壓法制備了碳纖維/環氧樹脂基復合材料，對其力學性能進行表征。結果表明：在纖維跟隨流體運動的過程中，纖維會受到軸向剪切力的作用，發生不同程度的彎曲變形
來源 | Nano-Micro Letters
01
背景介紹
為實現我國2030年二氧化碳排放達峰和2060年碳中和的目標，包括電動汽車和混合瀝青基碳纖維具有優異的軸向導熱性能，如何使其軸向方向沿所需傳熱方向取向排布是制備滿足電子設備高效散熱需求的高導熱墊片的關鍵。雖然已有大量研究報道了各種方法來制備纖維取向的導熱復合材料
由于制造工藝、外部環境等的影響，材料的隨機分布是個普遍存在的現象。目前針對復合材料的分析中，絕大部分并未考慮材料隨機性對仿真結果的影響。鑒于此，本文通過Umat子程序將材料隨機性引入復合材料的漸進損傷分析中，對比了不同的隨機分布對仿真結果的影響。
本文的仿真對象為一種短切纖維復合材料(芳綸紙)，主要從宏觀的角度研究了短纖維取向隨機性對計算結果的影響。
材料的隨機性一般可以認為服從正態分布或者
