熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的固化變形數(shù)值模擬.pdf

1、纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性和耐腐蝕性好以及便于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于航空航天、建筑、汽車、艦船、體育器材等領(lǐng)域。復(fù)合材料制品的性能很大程度上依賴于其制造工藝。樹(shù)脂傳遞模塑（ResinTransferMolding，RTM）因其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的主要制備技術(shù)之一。針對(duì)國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃中確立的大飛機(jī)重大專項(xiàng)，開(kāi)展纖維復(fù)合材料的樹(shù)脂傳遞模塑制備技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)高性能、低缺陷

2、、低成本目標(biāo)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 RTM工藝的固化階段是影響制品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在固化過(guò)程中，由復(fù)合材料內(nèi)部溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)分布的不均勻性而引起的熱應(yīng)力以及固化收縮應(yīng)力對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能、形狀以及尺寸穩(wěn)定性有著較大的影響，可能導(dǎo)致復(fù)合材料層合板發(fā)生翹曲、基體開(kāi)裂以及分層等現(xiàn)象。因此，復(fù)合材料的固化過(guò)程成為人們的研究重點(diǎn)之一。
　　 在固化過(guò)程中，復(fù)合材料的物理力學(xué)性能和內(nèi)應(yīng)力在時(shí)空間的分布具有非均勻、非穩(wěn)態(tài)

3、、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，需要揭示其演變規(guī)律，進(jìn)而發(fā)展復(fù)合材料固化變形的調(diào)控機(jī)制。因此，本文以RTM工藝中熱固性樹(shù)脂的固化過(guò)程為研究對(duì)象，應(yīng)用交聯(lián)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論、高分子交聯(lián)反應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論、高聚物結(jié)構(gòu)與性能理論、復(fù)合材料熱-彈性理論、復(fù)合材料本構(gòu)理論、數(shù)值傳熱學(xué)和有限元模擬方法等學(xué)科知識(shí)，開(kāi)展樹(shù)脂固化反應(yīng)-交聯(lián)結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能的集成研究。在此基礎(chǔ)上分析復(fù)合材料的固化收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力的形成機(jī)制，數(shù)值模擬內(nèi)應(yīng)力的演變過(guò)程以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的固化變形。然后分

4、析各種工藝因素和結(jié)構(gòu)因素對(duì)內(nèi)應(yīng)力和固化變形的影響方式和影響規(guī)律。引入局部靈敏度分析方法，定量分析復(fù)合材料制備過(guò)程中各種工藝因素和結(jié)構(gòu)因素對(duì)固化變形的影響程度及規(guī)律。根據(jù)固化變形對(duì)其影響因素的局部靈敏度分析結(jié)果提出固化變形的調(diào)控方法。
　　 主要工作與結(jié)論如下:
　　 復(fù)合材料固化過(guò)程中形成的熱應(yīng)力主要是由復(fù)合材料的溫度場(chǎng)控制的，而固化收縮應(yīng)力主要是由復(fù)合材料的固化度場(chǎng)控制的。要掌握復(fù)合材料固化過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和固化收縮

5、應(yīng)力，對(duì)復(fù)合材料溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬是關(guān)鍵。本文根據(jù)熱-化學(xué)模型和固化動(dòng)力學(xué)模型的耦合計(jì)算，求解了復(fù)合材料的溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)，分析了影響溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)的影響因素，如固化工藝溫度、對(duì)流換熱系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、升溫速率、材料厚度和纖維體積分?jǐn)?shù)等。
　　 在模擬溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)的過(guò)程中，通過(guò)分析溫度-時(shí)間-固化度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在等固化條件下固化溫度和固化時(shí)間的對(duì)數(shù)之間存在近似的線性關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，提出了一種簡(jiǎn)化固化動(dòng)力學(xué)模

6、型的新方法。在此基礎(chǔ)上得到了時(shí)間-溫度-固化度三者之間較為簡(jiǎn)單的關(guān)系式，簡(jiǎn)化了原先較為復(fù)雜的固化動(dòng)力學(xué)方程。簡(jiǎn)化后的方程能夠方便地用于工程實(shí)際，避免了繁瑣的求解。
　　 時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變(Time-Temperature-Transformation,TTT)圖是分析和設(shè)計(jì)固化過(guò)程的有用工具，具有重要的研究?jī)r(jià)值。大多數(shù)的TTT圖都是通過(guò)分析大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且還存在較大的系統(tǒng)誤差。本文以一種具體的樹(shù)脂體系為研

7、究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)得到了TTT圖，大大節(jié)省了時(shí)間和成本。
　　 復(fù)合材料的使用性能取決于其物理性能和力學(xué)性能，而材料結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)所需物理性能和力學(xué)性能的基礎(chǔ)。從理論上來(lái)說(shuō)，總可以找到某種材料結(jié)構(gòu)來(lái)滿足材料的某些性能需求。從應(yīng)用的角度看，必須知道用于形成某種材料結(jié)構(gòu)的加工工藝條件。同時(shí)，必須建立材料結(jié)構(gòu)與材料性能之間的定量關(guān)系，從而既能夠根據(jù)材料結(jié)構(gòu)來(lái)定量地預(yù)測(cè)材料性能，又能夠根據(jù)對(duì)材料性能的具體要求來(lái)確定材料結(jié)構(gòu)。因此

8、，進(jìn)行材料的加工工藝—微觀結(jié)構(gòu)—宏觀力學(xué)性能的集成研究，分析在具體的加工工藝條件下樹(shù)脂結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的演變過(guò)程，對(duì)于材料的開(kāi)發(fā)、加工工藝的優(yōu)化等方面都具有重要意義。本文結(jié)合高分子交聯(lián)統(tǒng)計(jì)理論、樹(shù)脂固化動(dòng)力學(xué)、數(shù)值傳熱學(xué)等理論知識(shí)，建立了樹(shù)脂固化過(guò)程的溫度場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)程度場(chǎng)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的基本方程，分析了在固化反應(yīng)過(guò)程中溫度、固化反應(yīng)程度、交聯(lián)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等物理量的基本變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了固化工藝-交聯(lián)結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能之間諸多場(chǎng)量的集成研究。<

9、br>　　 分析了固化過(guò)程中復(fù)合材料的熱物理性能變化，給出在固化過(guò)程中復(fù)合材料的模量、密度、熱膨脹系數(shù)、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)的計(jì)算方法及變化規(guī)律;然后結(jié)合一個(gè)具體的算例對(duì)比分析了在不同的固化工藝溫度下，樹(shù)脂及復(fù)合材料的彈性模量和剪切模量、收縮應(yīng)變等物理量隨時(shí)間的變化規(guī)律，并分析了在固化過(guò)程中復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力的形成及發(fā)展過(guò)程。
　　 分析了影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化變形的工藝因素及結(jié)構(gòu)因素，這些因素包括固化工藝溫度、降溫速率、對(duì)流換

10、熱系數(shù)、纖維體積分?jǐn)?shù)、鋪層方式、固化反應(yīng)放熱、固化收縮、層間純樹(shù)脂和樹(shù)脂的粘彈效應(yīng)等。任何一種樹(shù)脂材料都或多或少具有粘彈效應(yīng)，只是程度不同而已。在我們的研究中，由于計(jì)算機(jī)資源的限制和出于對(duì)計(jì)算時(shí)間的考慮，我們大多采用了線彈性模型。而在分析樹(shù)脂的粘彈效應(yīng)對(duì)固化變形的影響時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了幾組對(duì)比算例，對(duì)比分析了線彈性模型和粘彈性模型的差異。研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)比較高、樹(shù)脂固化收縮率比較低的情況下，采用線彈性和粘彈性兩種模型計(jì)算的固

11、化變形量差別不大，因?yàn)檫@時(shí)樹(shù)脂的粘彈效應(yīng)不顯著。
　　 在分析了各種工藝因素及結(jié)構(gòu)因素對(duì)固化殘余應(yīng)力和固化變形的影響規(guī)律之后，為了研究工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料固化變形的影響程度，引入了局部靈敏度分析方法，量化了這些因素對(duì)固化變形的影響程度。結(jié)果表明:纖維體積分?jǐn)?shù)、固化收縮率、鋪層方式和固化工藝溫度都對(duì)復(fù)合材料固化變形有著顯著的影響。在采用局部靈敏度分析方法研究了各因素對(duì)固化變形的影響程度之后，根據(jù)局部靈敏度分析結(jié)果，著重針對(duì)對(duì)固