復(fù)合材料液態(tài)成型工藝與性能的模擬及其計算方法研究.pdf

1、先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料技術(shù)在航空和汽車工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，世界主要工業(yè)化國家為了解決高性能、低成本復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)，都制訂了相應(yīng)的中長期研究計劃。復(fù)合材料液態(tài)模塑成型技術(shù)(LCM)是一種近年來出現(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，開展復(fù)合材料液態(tài)成型工藝過程的模擬、質(zhì)量評估和參數(shù)優(yōu)化，是目前國際復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱點之一。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程中的溫度分布，防止產(chǎn)品內(nèi)部過大殘余應(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)成型工藝過程與性能質(zhì)量的理論模型，實現(xiàn)對樹脂充模浸潤階段和固化階段的數(shù)值模擬，預(yù)測和計算復(fù)合材料的性能與殘余應(yīng)力，從而有效地幫助設(shè)計人員確立工藝參數(shù)、

3、減少反復(fù)試驗的次數(shù)、縮短研制周期、降低開發(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)成型工藝中樹脂流動充模過程和固化過程的理論模型。在樹脂充模階段，將樹脂在預(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，利用達(dá)西定律和質(zhì)量守恒原理，導(dǎo)出了樹脂流動的控制方程；在固化階段，采用唯象模型描述樹脂固化的動力學(xué)變化，建立了表現(xiàn)固化速率和固化度之間的特定聯(lián)系的動力學(xué)方程，此外，考慮樹脂固化反應(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)了樹脂流動控制方程的有限元格式，并編寫了相應(yīng)的求解程序，實現(xiàn)了復(fù)合材料液態(tài)成型工藝中的樹脂流動行為的模擬。實例分析表明兩種方法都可以跟蹤樹脂流動前沿和求解模腔內(nèi)壓力分布，而純有限元法在保證模擬精度的基礎(chǔ)上更具有計算效率。 3)應(yīng)用差示掃描量熱(DSC)技術(shù)研究了樹脂的固化動力學(xué)特性。根據(jù)動態(tài)掃描DSC圖譜，采用外推法，得

5、到了樹脂的固化特征溫度，并利用Kissinger方法得到了其固化動力學(xué)參數(shù)。 4)分別利用自編程序和商用有限元軟件對復(fù)合材料液態(tài)成型工藝固化過程進(jìn)行了模擬研究。根據(jù)熱化學(xué)模型，采用有限差分方法，編寫了模擬固化過程的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；又通過對商用有限元計算軟件ABAOUS的二次開發(fā)，編寫了內(nèi)部熱生成(HETVAL)子程序，實現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件固化過程的三維數(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脂固化度相關(guān)性的分析模型。在假設(shè)樹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)性和波動性，采用波動模型建立了平織纖維氈的幾何模型，通過對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)測復(fù)合材料剛度系數(shù)隨固化度的變化。實例計算表明剛度系數(shù)隨固化度呈指數(shù)增長。 6)研究了復(fù)合材料液態(tài)成型工藝過程導(dǎo)致的殘余應(yīng)力問題。應(yīng)用ABAQUS分析軟件，將固化過程模擬計算得