基于材料性能时变特性的复合材料固化过程多场耦合数值模拟

针对热固性树脂基复合材料固化过程中各种复杂的物理化学变化之间的相互影响,建立了基于材料性能时变特性的复合材料固化过程的二维多场耦合计算模型。该模型由已知的3个经典复合材料固化过程子模型构成,包括热-化学模型、树脂黏度模型和树脂流动模型。在此基础上,将固化过程中材料性能的时变特性引入多场耦合计算模型中。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对AS4/3501-6复合材料层合平板的固化过程进行了数值模拟,重点研究了固化过程中纤维体积分数变化及材料参数的时变特性对固化过程中温度、固化度和树脂压力等参量的影响。分析结果表明:考虑纤维体积分数变化和材料性能的时变特性后,固化过程中复合材料层合板中心温度峰值明显减小,树脂压力随时间的变化将有所滞后。     

基于黏弹性本构模型的热固性树脂基复合材料固化变形数值仿真模型

针对热固性树脂基复合材料热压罐成型工艺过程,采用广义Maxwell(麦克斯韦)黏弹性本构模型建立了残余应力和固化变形的三维模型。模型考虑了复合材料固化过程中的热-化学效应、材料的热胀冷缩效应、基体树脂黏弹性效应以及材料的各向异性。通过与文献中实验结果的比较,证明了所建立的模型具有较高的可靠性。对复合材料C型制件的固化过程进行了数值模拟和实验对比,比对结果表明该数值模型具有较高的准确性。     

基于树脂流动的变截面复合材料结构固化过程热-流-固多场强耦合数值仿真

在考虑树脂流动对固化温度场影响的基础上,将树脂流动引入经典热-化学模型,并在考虑了固化过程材料性能时变特性条件下,建立了复合材料热-流-固多场强耦合有限元模型。通过对比文献中未考虑树脂流动对温度场的影响,本文所建模型温度场较实际结果的最大温差更低,厚度密实精度更高,模型可靠性更好。基于所建热-流-固强耦合有限元模型,对变截面复合材料结构固化过程进行数值仿真。研究发现,变截面复合材料结构较厚区域存在明显温度场、固化度场及树脂流场分布梯度,纤维体积分数分布不均性较大,这与结构不同区域的厚度、固化过程温度传递滞后及局部树脂流动受固化效应不同步产生的影响有关。变截面复合材料结构厚度由3.52 mm增加至42.24 mm,截面最大温差由0.3℃增加到34.3℃,纤维体积分数分布不均匀性由0.1%增加到1.3%。     

复合材料层板热压工艺参数的分析与优化

在热固性树脂基复合材料热压成型过程中,外加压力和加压时机是决定层板厚度、纤维含量以及孔隙含量的两个主要因素.基于复合材料热压成型过程树脂流动模型,采用遗传算法,根据固化层板纤维体积分数的要求,对单向和正交两种铺层形式的T700/5228和T700/5224层板加压时机进行了分析.以航空航天应用的典型纤维含量为准,对优化得到的加压时机以及不同工艺条件下固化层板内纤维分布特点进行了分析.结果表明,纤维、树脂种类相同,铺层方式不同,加压时机差别很大;纤维种类、铺层方式以及初始和优化目标相同的条件下,不同树脂体系,加压时刻树脂粘度基本相同;层板内纤维分布均匀性主要由纤维层压缩特性决定.采用本文建立优化方法,可以快速地得到满足目标纤维含量要求的加压时机,具有重要的学术价值和工程应用意义,有助于降低成本,缩短复合材料研制周期.     

VARI工艺成型纤维增强树脂复合材料层合板厚度和纤维体积分数的影响因素

分析了影响真空辅助成型技术（VARI）工艺成型复合材料的纤维体积分数和厚度均匀性的关键因素,即VARI成型工艺的树脂流动控制形式、纤维预制体状态、织物状态、树脂黏度,通过试验分析了各因素对VARI成型复合材料厚度和纤维体积分数的影响。试验结果表明,采用HFVI（high fiber-volume vacuum infusion）工艺、BA9914树脂及真空处理后的U3160单向机织物成型的纤维增强树脂复合材料层合板,其纤维体积分数和厚度均匀性能够接近预浸料/热压罐成型的复合材料制件的水平。     

考虑双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型

为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性,首先,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型,该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能;然后,给出了模型参数的确定方法,并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数;最后,利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真,并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明:提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点,且材料参数容易确定,可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。      

热压工艺热-化学-应力三维数值模型及有限元分析

建立了复合材料热压工艺的三维热-化学-应力耦合数学模型。该模型考虑了整个工艺周期过程中的热-化学应变、材料的黏弹性效应、各向异性及玻璃化转变温度与固化度的关系。其中热-化学模型可采用完全耦合的形式求解,而应力模型则可采用单向耦合的形式求解。对AS4/3501-6层合平板的热压工艺过程用有限元方法进行了数值模拟,得到的层合板翘曲度与实验结果相符。计算结果表明,层合板厚度减小或长度增大,都会使翘曲变形增大,而工艺压强对翘曲变形影响很小。层合板的翘曲变形随着模具与层合板热膨胀系数差距的变小而减小。       

复合材料等厚层板热压成型中树脂流动过程数值模拟

树脂基复合材料热压成型过程中树脂流动在很大程度上决定着层板纤维含量、 孔隙含量以及层板尺寸 , 根据有效应力原理与达西渗流定律建立了描述复合材料等厚层板热压成型过程树脂流动与纤维密实的数学模型 , 采用有限单元方法实现了热压成型中纤维密实均匀状况的预报。分析了温度边界条件、 铺层方式对树脂流动过程的影响。结果表明: 温度边界条件对计算结果影响比较大 ; 铺层方式对层板厚度以及纤维体积分数分布规律影响非常大 ; 边界条件以及材料参数的准确性直接影响计算结果的可靠性。以 T700S/环氧 5228单向层板为例进行了实验验证 , 结果表明计算与实验结果的一致性非常好。      

多功能光纤智能复合材料研究

提出采用光纤微弯传感器测量复合材料固化中粘度的变化。选择了合适的光纤并进行了增敏处理。完成了不同铺层方式的复合材料固化进程的粘度测量, 并与动态介电方法的测量结果进行了比较。结果发现, 光纤微弯衰减方法对于热压情况下复合材料的固化监测是敏感的。该方法可重复性好, 可以准确给出树脂粘度最低点和固化完成点的时间, 灵敏度与光纤同增强纤维的交角有关。利用完成固化监测功能后仍具有光波导性能的已埋入光纤, 研制了两种类型的振动传感器。     

热固性树脂基复合材料构件固化变形数值模型

针对树脂基复合材料构件固化过程中的固化翘曲变形这一关键技术问题,通过引入剪切系数的方法来代替固化过程中模具与复合材料之间的相互作用,建立了预报树脂基复合材料构件固化变形的数值计算模型。通过少量实验数据来确定模具与复合材料之间的剪切系数,进而预测复合材料构件的固化变形。通过与文献中实验结果的比较证明了所建立的模型具有较高的可靠性。实验与计算结果表明,该模型能够在不考虑复杂的材料参数变化的情况下对不同结构尺寸及不同工艺参数下的复合材料构件的固化变形进行较为准确地预测。     

2. 5维机织结构复合材料的几何模型

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设 , 分析了 2. 5 维机织复合材料的细观几何结构 , 重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况 , 建立了 2. 5 维机织复合材料的单胞几何模型。该几何模型可以计算各种 2. 5 维机织结构单胞内各纱线系统的形态 , 包括取向角和纤维体积分数。通过对 8种结构 28 个试件纤维体积分数的测定 , 与计算预测结果的对比表明本文中建立的几何模型较好地反映了 2. 5维机织复合材料的内部结构。此外 , 利用本模型计算分析了 3 种不同结构的纤维体积分数和取向角。结果表明 : 单胞内经纬纱交织的次数是决定纤维体积含量的一个关键因素 ; 直联结构相比弯联结构 , 其经纱取向角明显降低。      

基于两尺度代表体元的含孔隙复合材料单层板弹性常数预测

为预测含孔隙复合材料单层板的弹性常数,以单向纤维增强复合材料单层板为研究对象,首先,基于细观力学方法,提出了一种基于两尺度代表体元的含孔隙复合材料单层板弹性常数预测方法;然后,基于纤维排列和孔隙特征,建立了纤维-基体尺度的代表体元模型和含孔隙复合材料单层板的代表体元模型,并采用有限元方法求解弹性常数;接着,采用周期对称边界条件,在纤维-基体尺度先进行第1步等效,得到不含孔隙复合材料单层板的弹性常数;最后,在含孔隙复合材料单层板的代表体元模型上进行第2步等效,完成了含孔隙复合材料单层板弹性常数的预测。结果显示:应用该方法得到的计算结果与试验数据吻合较好;结合纤维、基体弹性常数及孔隙形态的模型,该方法可以反映各因素对复合材料单层板弹性常数的影响。      

双随机分布细观分析模型与复合材料性能预报

发展了一种细观力学有限元分析方法——拟真实的参数化双随机分布模型, 该模型综合考虑了纤维增强树脂基复合材料的真实微结构特点和纤维单丝综合力学性能测试结果的离散性特征, 模拟了复合材料中纤维排列和强度分布的随机性。借助移动窗口法研究了该参数化双随机分布模型的可靠性, 确定了其代表性体积单元的尺寸。基于能量法原理推导了单向复合材料的弹性模量预测公式, 结合能量法和渐进失效分析方法, 利用该细观力学有限元方法分别预测了单向纤维增强树脂基复合材料T300/5228的弹性模量和强度性能。数值模拟结果和大部分试验结果吻合良好, 表明发展的细观力学有限元方法能够较好地预测复合材料的力学性能。      

各向异性复合材料开孔板拉伸强度预测及模型验证

基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。      

CG混合纤维/橡胶复合材料的黏弹性

采用干法混炼工艺制备了CG混合纤维 (炭纤维和玻璃纤维) /橡胶复合材料, 并在热模拟实验机上测定其蠕变曲线和应力松弛曲线, 对其黏弹性进行了研究。结果表明: 当CG混合纤维体积分数小于15 %时, 可提高橡胶的抗蠕变和抗应力松弛性能; 而当CG混合纤维体积分数大于15 %时, 抗蠕变和抗应力松弛性能开始下降。理论推导表明: CG混合纤维/橡胶复合材料的蠕变与应力松弛在数值上互为倒数关系。      

压力铸造金属基复合材料的浸渗过程

应用具有宽调速特性的低压铸造法制备了碳纤维增强铝基复合材料,着重探讨了其液相浸渗过程。结果表明:金属流体的浸渗充型随着纤维体积分数的增大,从非均衡浸渗向均衡浸渗变化。纤维与基体的润湿是获得良好浸渗的前提。浸渗速度与加压速度的平方根成正比,浸渗系数只在较高的纤维体积分数时才与多孔介质流体力学的计算值相符。通过适当的工艺控制,可制得浸渗良好的复合材料。     

含纤维波纹缺陷复合材料层合板的损伤分析

纤维波纹是复合材料层合板制备过程中的一种常见缺陷,会导致其刚度和强度显著下降,有效地预测含波纹缺陷复合材料层合板的失效强度具有显著的意义。基于此,本文采用解析的方式分别构造了纤维波纹呈正弦起伏与余弦起伏状的复合材料层合板模型。利用该模型,以Tsai-Wu准则作为失效判据,研究了一种含纤维波纹的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在受压情况下的损伤演化过程,得到了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的初始损伤强度。与有限元方法计算得到的损伤位置和损伤强度非常吻合,验证了本文算法的正确性。另外,相比于有限元方法,本文所述计算方法具有模型构造简单、计算效率高等优点,便于快速分析和确定含纤维波纹缺陷复合材料层合板的损伤位置与损伤强度。      

Numerical and Experimental Study of the Bleeder Flow in Autoclave Process

In the autoclave process, resin flow is a primary mechanics for the removing of excess resin and voids entrapped in the laminate and obtaining a uniform and void free composite part. A numerical method was developed to simulate the resin flow in the laminate and the bleeder, and the effects of ‘bleeder flow’ on the resin flow and fiber compaction were conducted. At the same time, fiber distribution in the cured laminates was investigated by both experiments and simulations for the CF/Epoxy and CF/BMI composites. The data of the experiments and simulations demonstrated that fibers consolidated and reconsolidated in the laminate and it was impacted by the viscosity and gel time of the resin system. Compared to the post study in which only resin flow in the laminate are considered, these results will deepen the understanding of the consolidation process, resin pressure variation and void control during the autoclave process, which is valuable for the study of the performance of composite parts, provided that fiber distribution does affect some properties of composite material.     

复合材料层合板单钉双剪连接挤压强度的一种工程估算方法

将上限理论应用到复合材料层合板单钉双剪连接挤压强度分析中, 把连接结构的位移场划分为动态区域(层合板)和静态区域(紧固件), 并认为失效发生在位移可动场和不动场之间的钉孔边受挤压部分。由于受挤压孔孔边各层应力状态不一样, 受挤压孔边各层的失效区域和失效模式也各不相同。从宏观上研究复合材料层合板单钉连接孔边的失效区域和失效模式, 结合上限理论提出了一种估算复合材料单钉连接挤压强度的工程算法。通过与试验结果对比, 发现该方法能较好地预测出复合材料单钉双剪连接挤压强度。