《Fibers》：Intra and Inter-Specimen Strain Heterogeneity in Filament–Wound Carbon Fiber Composites Revealed by Digital Image Correlation
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纤维缠绕碳纤维复合材料广泛应用于轻量化结构领域，其力学性能受制造诱导非均质性的显著影响。本研究采用数字图像相关技术（Digital Image Correlation, DIC）对纤维缠绕工艺制备的碳纤维复合材料试样的拉伸行为进行了全场面应变测量研究。在单轴拉
纤维缠绕碳纤维复合材料广泛应用于轻量化结构领域，其力学性能受制造诱导非均质性的显著影响。本研究采用数字图像相关技术（Digital Image Correlation, DIC）对纤维缠绕工艺制备的碳纤维复合材料试样的拉伸行为进行了全场面应变测量研究。在单轴拉伸试验过程中，监测试样表面的应变空间分布。除传统的全局应力-应变表征外，DIC技术能够识别单个试样内部以及相同名义制造条件下不同试样之间的显著应变非均质性。研究观察到特定区域出现局部化应变集中，揭示了全局测量无法捕捉的非均匀变形模式。结果表明，尽管全局力学响应相似，局部尺度存在显著变异性。这种试样内与试样间的非均质性凸显了纤维缠绕结构及局部变异性对拉伸性能的影响。该研究强调了仅依赖全局测量的局限性，并突出DIC技术在提供应变分布与损伤起始机制深入洞察方面的能力。这些发现支持将全场面光学技术作为纤维缠绕复合结构力学表征与质量评估的有力工具。
纤维缠绕（Filament Winding, FW)工艺作为高效自动化生产技术，在制造轴对称复合结构如管道及无缝复合材料压力容器(Composite Overwrapped Pressure Vessels, COPVs)领域具有显著优势。然而，制造过程固有的变异性——包括纤维错位、缠绕张力波动、树脂分布不均、孔隙形成及局部纤维富集等问题——导致最终材料呈现显著非均质性，引发应变集中与早期损伤等常规设计参数无法捕捉的非均匀力学行为。传统单轴拉伸试验配合引伸计或应变片的测试手段基于均匀变形假设，难以反映各向异性非均质材料的局部应变演化，而数字图像相关技术作为一种全场面非接触光学测量方法，通过追踪随机表面图案在力学测试中的位移变化，可实现高分辨率空间应变分布表征，尤其适用于分析非均质材料并识别宏观失效前的局部化变形机制。
本研究旨在建立基于DIC的实验-统计框架，将局部应变测量与试样内及试样间变异性分析相结合，以清晰描述纤维缠绕碳纤维结构中的应变非均质性。研究采用Toray
? T300 3K碳纤维与Sicomin
? SR1500树脂体系，通过纤维缠绕工艺制造140 mm长、93 mm直径的管件，经25
°C下1天凝胶化及50
°C/24小时后固化处理后，采用精密数控激光切割系统制备16件狗骨形拉伸试样（标距段宽5 mm，最宽处10 mm，长170 mm）。试样表面经白色底漆处理后，采用凝胶转移技术附着高分辨率激光打印散斑图案（平均强度梯度Mean Intensity Gradient = 5639，散斑直径0.324 mm，中心间距0.432 mm）。
拉伸试验在Servosis
? ME-405/50/5电子万能试验机上进行，配备50 kN载荷传感器及液压夹具，以2 mm/min恒定位移速率加载。图像采集采用Manta
? G-504相机（Sony ICX 665单色CCD传感器，2452×2056像素，像素尺寸3.45×3.45 μm）配合50 mm焦距镜头，通过Arduino
? Uno控制系统实现与试验机数据采集的同步，采集频率为每2秒1帧。DIC分析基于Ncorr开源工具箱在Matlab
?环境中完成，采用零均值归一化平方差(Zero-Mean Normalized Sum of Squared Differences, ZNSSD)相关函数及五次B样条插值，结合逆组合高斯-牛顿(Inverse-Compositional Gauss-Newton, IC-GN)算法进行优化，并实施可靠性引导DIC(Reliability-Guided DIC, RG-DIC)策略以降低误差传播。
研究在每个试样上布置3个纵向及3个横向虚拟引伸计，通过监测三传感器间变异系数(Coefficient of Variation, CV)实施统计过滤：当CV超过25%阈值时，采用基于中位数的异常值剔除法识别并舍弃偏离最大的传感器数据。研究通过单因素方差分析(One-Way ANOVA)及组内相关系数(Intraclass Correlation Coefficient, ICC)评估过滤前后数据质量，并采用标准误(Standard Error of Measurement, SEM)量化测量误差。
**3.1 全局力学响应**
初始16件试样中，试样1因数据采集异常被排除。未经统计过滤时，弹性模量E的单因素ANOVA分析p值为0.2109（SEM = 37.52 GPa），各试样间差异无统计学意义，此现象被证实源于局部高变异性——如试样2的局部CV超过50%。应用过滤协议后，严重局部偏差得以校正（试样1、2、5、12、15等），SEM降至20.68 GPa，ANOVA的p值变为0.0003，表明过滤消除了虚假局部读数，揭示了试样间真实力学差异。对于泊松比ν，原始截面读数呈现极端离散（试样1的CV > 100%），与树脂富集区变形相关；预过滤ANOVA虽显著（p = 0.0073）但受噪声严重影响（SEM = 0.09）。过滤后误差减半（SEM = 0.04），ANOVA的p达到0.0000，验证了该敏感属性的良好试样间一致性（ICC = 82.14%）。
**3.2 过滤阈值效应**
全局统计质量指标对比显示（表3），预过滤状态下SEM高达37.52 GPa，ICC仅11.51%，表明总方差中仅极少数源于试样间真实差异，绝大多数被局部应变变化掩盖，ANOVA无法区分不同试样。过滤后SEM降至12.28 GPa，ICC跃升至84.00%，证实过滤后剩余方差代表试样间真实宏观结构变异性，后过滤ANOVA高度显著（p < 0.001），成功分辨各试样的力学特征。
**3.3 试样内应变非均质性**
通过三引伸计读数分析各试样内部运动学一致性，位移演变显示随着载荷增加，试样内离散带（蓝色阴影）逐渐展宽。在90%极限载荷处（表4），试样呈现三种行为模式：运动学对称组（CV < 12%，试样3、9、16）表现为准各向同性行为；标准组（CV 15–25%）由交织股线正常摩擦主导；以及存在严重刚度梯度组（CV > 25%，试样2达40.83%）。
**3.4 试样间变异性**
批次层面，各试样平均曲线聚合形成总体工艺容差通道。初始弹性阶段（0–20%载荷）行为高度一致，但随载荷增加应变轨迹显著发散，呈扇形展开。这种分布证实最终坍塌由每个管件独有的微观结构缺陷决定，如局部纤维体积分数微小变化或树脂固化历史差异。
**3.5 应变非均质性量化**
为判定平均曲线变异性源于损伤累积还是材料本构属性，研究团队量化批次演化离散程度。结果显示整个加载过程中试样间CV保持约46–48%的惊人稳定（表5），证明力学离散并非由突现的不可预测微裂纹导致，而是制造公差预存变刚度的本构属性。全场面应变频率分布分析进一步支持此结论：低载荷时（40%极限载荷）各试样呈窄准高斯分布，均值约0.15%应变；接近坍塌时（90%极限载荷），运动学对称试样（试样3）分布仍相对集中，而高度非对称试样（试样2）直方图极端展宽，概率密度函数明显扁平化且右偏，量化了严重应变局部化现象。
讨论部分分析指出，纤维缠绕制造不可避免地产生丝束交叉、富树脂层厚度变化及表面微孔隙等局部异常，这些因素严重扭曲接触式引伸计读数。过滤前宽范围读数（78.5 GPa至254.1 GPa）并不代表真实宏观弹性模量——254.1 GPa已超出T300碳纤维本征刚度，属局部运动学伪影。这些极端异常值源于纤维交叉处局部寄生弯曲或树脂口袋微开裂导致的位移场畸变，凸显了离散局部测量对制造诱导噪声的敏感性。位移曲线分析的力学不对称性随载荷接近失效呈指数增长：CV < 12%的试样保持准各向同性变形；CV > 25%的试样（如试样2、5）则出现显著寄生弯曲，此现象并非夹持伪影，而是 tube壁截面刚度失配的结构响应，由纤维体积分数变化或固化过程差异导致。某些试样（如试样9、14）在完全坍塌前出现的刚度骤降，通常与早期局部分层或最外层高应力纤维束顺序失效相关。
关键发现在于整个加载循环中试样间变异性的量化：传统观念将复合材料离散归因于载荷下损伤的随机累积（基体微开裂、纤维-基体脱粘），理论上CV应随材料退化渐进增加；但数据显示批次总体CV从25%载荷至90%载荷始终维持在46%–48%的显著稳定，表明运动学离散不是测试期间随机断裂力学主导的累积现象，而是制造批次公差的本构属性——刚度差异自后固化状态即已预设（源于热历史、残余缠绕应力或纤维角微小变化），并随施加荷载线性缩放。这一发现对工业优化具有重要指导意义：减小管件离散性的努力不应聚焦于提高基体断裂韧性，而应加强缠绕和固化阶段的尺寸与热控制。
研究同时指出，DIC结果应解读为非均匀变形的证据，而非任何特定制造缺陷或损伤机制的直接证明。稳定的试样间CV表明可观测量离散在加载早期即已存在，而非仅在失效前突然出现，但现有测量尚不能将起源明确归因于制造参数、固化条件、局部纤维体积分数、厚度变化或损伤演化，需结合微观结构和几何表征以建立关联。
研究结论部分总结：通过实施试样内统计过滤（基于25% CV阈值），成功分离了纤维交叉摩擦和树脂非均质性产生的运动学噪声，不仅显著降低试验标准误，还将泊松比等敏感属性的一致性指数从37%提升至82%以上，揭示了最初被仪器噪声掩盖的试样间真实本构差异。变形演化分析表明，丝缠绕结构坍塌前存在显著运动学不对称：部分试样保持准各向同性行为直至失效，而内传感器变异超过25%的试样经历显著寄生弯曲，表明最终失效由管件横截面局部刚度失衡控制。更重要的是，批次连续监测显示整个弹塑性加载循环中试样间总体离散保持约47%的恒定，这一相对恒定性否定了宏观变异性是载荷下损伤累积随机产物的假设，证实力学差异是预存本构属性，几乎完全由制造公差、纤维体积分数及固化热历史决定——识别这些阶段作为工艺工业优化的关键焦点。
