復(fù)合材料液態(tài)成型工藝與性能的模擬及其計(jì)算方法研究.pdf

1、先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)在航空和汽車工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，世界主要工業(yè)化國(guó)家為了解決高性能、低成本復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)，都制訂了相應(yīng)的中長(zhǎng)期研究計(jì)劃。復(fù)合材料液態(tài)模塑成型技術(shù)(LCM)是一種近年來(lái)出現(xiàn)的先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)，復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)字化和信息化生產(chǎn)，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低研發(fā)成本的有效途徑。因此，開(kāi)展復(fù)合材料液態(tài)成型工藝過(guò)程的模擬、質(zhì)量評(píng)估和參數(shù)優(yōu)化，是目前國(guó)際復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。要想獲得復(fù)合材料構(gòu)件制造工藝的全面

2、成功，首先必須保證基體樹(shù)脂充分浸透纖維預(yù)制件，防止氣泡、干斑等缺陷的產(chǎn)生；其次要控制固化階段的升溫、冷卻速率以及固化過(guò)程中的溫度分布，防止產(chǎn)品內(nèi)部過(guò)大殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。復(fù)合材料液態(tài)模塑成型工藝過(guò)程十分復(fù)雜，涉及到數(shù)學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的多學(xué)科交叉。本文的主要目的是建立模擬復(fù)合材料液態(tài)成型工藝過(guò)程與性能質(zhì)量的理論模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)脂充模浸潤(rùn)階段和固化階段的數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)和計(jì)算復(fù)合材料的性能與殘余應(yīng)力，從而有效地幫助設(shè)計(jì)人員確立工藝參數(shù)、

3、減少反復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)、縮短研制周期、降低開(kāi)發(fā)成本、控制產(chǎn)品質(zhì)量。論文的主要工作和成果如下： 1)建立了描述復(fù)合材料液態(tài)成型工藝中樹(shù)脂流動(dòng)充模過(guò)程和固化過(guò)程的理論模型。在樹(shù)脂充模階段，將樹(shù)脂在預(yù)制體纖維之間的浸漬看作牛頓流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，利用達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理，導(dǎo)出了樹(shù)脂流動(dòng)的控制方程；在固化階段，采用唯象模型描述樹(shù)脂固化的動(dòng)力學(xué)變化，建立了表現(xiàn)固化速率和固化度之間的特定聯(lián)系的動(dòng)力學(xué)方程，此外，考慮樹(shù)脂固化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，

4、在能量守恒方程中將其作為一項(xiàng)熱源建立了熱傳遞方程。 2)分別利用控制體/有限元方法和純有限元方法，推導(dǎo)了樹(shù)脂流動(dòng)控制方程的有限元格式，并編寫(xiě)了相應(yīng)的求解程序，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料液態(tài)成型工藝中的樹(shù)脂流動(dòng)行為的模擬。實(shí)例分析表明兩種方法都可以跟蹤樹(shù)脂流動(dòng)前沿和求解模腔內(nèi)壓力分布，而純有限元法在保證模擬精度的基礎(chǔ)上更具有計(jì)算效率。 3)應(yīng)用差示掃描量熱(DSC)技術(shù)研究了樹(shù)脂的固化動(dòng)力學(xué)特性。根據(jù)動(dòng)態(tài)掃描DSC圖譜，采用外推法，得

5、到了樹(shù)脂的固化特征溫度，并利用Kissinger方法得到了其固化動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 4)分別利用自編程序和商用有限元軟件對(duì)復(fù)合材料液態(tài)成型工藝固化過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。根據(jù)熱化學(xué)模型，采用有限差分方法，編寫(xiě)了模擬固化過(guò)程的FORTRAN程序，得到了復(fù)合材料構(gòu)件的溫度和固化度分布及其變化歷程；又通過(guò)對(duì)商用有限元計(jì)算軟件ABAOUS的二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)了內(nèi)部熱生成(HETVAL)子程序，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件固化過(guò)程的三維數(shù)值模擬與分析。

6、5)建立了反映編織纖維復(fù)合材料剛度性能與樹(shù)脂固化度相關(guān)性的分析模型。在假設(shè)樹(shù)脂性能和固化度線性相關(guān)的基礎(chǔ)上，考慮纖維的連續(xù)性和波動(dòng)性，采用波動(dòng)模型建立了平織纖維氈的幾何模型，通過(guò)對(duì)代表性體積單元的分析，應(yīng)用經(jīng)典層合理論導(dǎo)出了復(fù)合材料的剛度矩陣，該模型可以預(yù)測(cè)復(fù)合材料剛度系數(shù)隨固化度的變化。實(shí)例計(jì)算表明剛度系數(shù)隨固化度呈指數(shù)增長(zhǎng)。 6)研究了復(fù)合材料液態(tài)成型工藝過(guò)程導(dǎo)致的殘余應(yīng)力問(wèn)題。應(yīng)用ABAQUS分析軟件，將固化過(guò)程模擬計(jì)算得