原位成分特性

了解总体成分特性和原位成分特性之间的差异，以及 MCT 材料特征化过程需要原位成分特性的原因。

总体成分特性只是使用由单个成分材料组成的均质测试样本测量的特性。一般而言，使用总体成分特性的微型机械有限元模型不会产生复合材料的精确均质特性。微型机械有限元模型无法预测复合材料的精确均质特性是由下面介绍的多个不同因素造成的。

1. 微型机械有限元模型表示理想化的微观结构，而非实际的微观结构。
   • 在纤维体积因子为 φf 的实际复合材料中，纤维略呈随机分布，即部分区域中的纤维实际相互接触，而其他区域中的纤维之间的距离相对较大。 即使我们尝试使用具有随机纤维间距的微型机械有限元模型，该模型是否能正确反映实际复合材料中展现出的同等程度随机性仍不能确定。
   • 实际复合材料通常在微观结构级别具有不同缺陷的特征化分布，这是由于制造和固化流程所致。在实践中，假定微型机械有限元模型完全没有这些微小缺陷。
2. 对纤维/基体中间相区域的机械特性和热特性常缺乏全面的了解。因此，中间相的强度和刚度不会在微型机械有限元模型中做出明显的解释。
3. 即使总体基体特性基于在总体基体材料上执行的精确测量获得，总体基体材料也不太可能受到与纤维增强复合层中同样的基体材料体验相同的固化条件（例如温度、压力、变形、化学环境）的约束。因此，我们预计固化条件中的这些差异会使复合材料中的树脂与总体树脂材料的行为略有不同。
4. 通常，我们对纤维和基体成分的总体机械特性和热特性的了解不全面。实际上，一些总体成分特性通过实测获得，一些是根据类似材料的测量估算得来，而另一些则只是靠猜测。
5. 由于纤维束在织物复合材料中呈波状，因此其全局坐标系形式的特性与局部坐标系形式的特性并不相同。

整体考虑上述第 1 项到第 4 项列出的所有差异和不确定性的一种方法是使用更改的成分特性（而非测量的总体成分特性）。这些更改的成分特性使微型机械有限元模型生成对复合材料实际测量的弹性特性（例如，刚度、泊松效应和热膨胀）。这些更改的成分特性称为原位成分特性，以强调它们是特意选来在特定复合材料的特定微型机械有限元模型中正常运行。这将使有限元模型产生测量的复合特性。因此，基于原位成分特性形成的概念可视为是特意调整微型机械有限元模型的某一方面（即材料特性）以补偿微型机械有限元模型的所有其他误差和未知项。确定原位成分特性的过程是一个数学优化问题。我们反复调整总体成分特性，以便最小化微型机械有限元模型的测量复合特性和预测复合特性之间的误差。因此，利用标准优化例程来确定原位成分特性。此优化当前使用最陡下降法进行执行。