基于因次分析方法的树脂基复合材料等温固化均匀性分析

在复合材料固化过程中,固化度场的非均匀性是引起残余热应力和固化收缩应力的重要因素。为了探讨树脂基复合材料结构件固化成型过程中的工艺参数对固化均匀性的影响,首先针对Epon862/W环氧树脂体系建立了复合材料固化仿真模型,并对模型进行了验证;然后,通过因次分析得出了树脂基复合材料结构件的热传递方程和固化动力学方程的无因次形式;最后,通过数值模拟定量分析了固化工艺温度、对流换热系数和结构件厚度对复合材料固化均匀性的影响规律。结果表明:在等温固化条件下,对流换热系数对复合材料固化均匀性的影响很小,无因次式特征时间t_c/树脂固化反应特征时间t_R与固化度差值间存在拟合函数关系,该函数可以方便地用于工程计算。      

树脂基复合材料曲面结构件固化变形数值模拟

为了研究树脂基复合材料曲面结构件的固化变形过程,首先分析了碳纤维增强树脂基复合材料在固化过程中密度、模量、热膨胀系数、比热容及热传导系数等材料物性的变化,并将这些变化引入到数值模拟当中。接着,针对复合材料复杂曲面结构件,提出了利用定常流动的流线方程构建曲线坐标系的新方法。然后,根据建立的曲线坐标系,运用有限元法计算了某轻型飞机机翼上蒙皮板在固化过程中内部温度、固化度和内应力的分布情况以及材料物性随固化度的变化情况。最后,计算了由于内部温度场和固化度场的不均匀、热膨胀系数的各向异性和固化引起的树脂体积收缩而导致的结构变形。结果表明:引入材料物性变化使固化过程的数值模拟更加合理、模拟结果更加精确,利用定常流动的流线方程构建的曲线坐标系适用于复合材料曲面结构件的有限元分析。所得结论对研究树脂基复合材料的固化变形过程和各向异性复合材料复杂曲面构件的三维实体建模均具有指导意义。     

大厚度复合材料层合板的固化温度场变化规律

本研究通过编写ABAQUS子程序,将固化反应动力学方程引入大厚度复合材料构件固化过程的热传导方程,研究大厚度玻璃纤维/环氧树脂复合材料固化过程中温度分布规律,讨论了板厚与固化温度对层合板内部温度场、固化度场和固化速率的影响。结果表明,大厚度复合材料层合板内部厚度方向温度相差较大,中心点升温幅度最大,厚度方向的温度随着距离中心点位置的增大而降低;上下表面与温度恒定的模具表面接触因而温度不变;固化速率、固化度与温度呈正相关;固化温度一定时,复合材料厚度越大,最大温差ΔTmax越大,需要恢复到初始温度的时间越长,随着厚度的增加,最大温差ΔTmax增大的趋势越小;复合材料厚度一定时,固化工艺温度越高,最大温差ΔTmax越大,需要恢复到初始温度的时间越短,随着厚度的增加,最大温差ΔTmax增大的趋势越小。     

热固性树脂基复合材料固化变形和残余应力数值模拟研究综述

固化变形和残余应力给复合材料的应用带来威胁,准确的预测固化变形和残余应力可以为复合材料的结构和工艺设计提供调整依据,减小固化变形和残余应力。数值模拟方法因其简单、预测精度高而被广泛采用。本文主要介绍了复合材料固化变形和残余应力数值模拟流程中包含的热传导-固化模块、流动压实模块和应力变形模块。重点详述了应力变形模块中本构方程和模型-构件之间相互作用力研究的最新发展,为固化变形和残余应力预测提供方向和参考。简要讨论当前复合材料固化变形和残余应力预测的主要发展方向。     

复合材料结构固化温度场精化模拟

以往的复合材料固化过程模拟,大多只是在简单外部条件下,或者针对厚尺寸复合材料构件进行的厚度方向的温度场模拟,而与实际复合材料的固化过程有一定的偏差。本文在考虑辅助材料、模具以及罐内强迫对流换热现象的情况下,建立了复合材料热压罐工艺固化温度场的精化模拟方法。在此基础上,针对常用航空复合材料结构以及材料体系,进行了相应的固化温度场模拟,并对结果进行了分析。     

纤维缠绕复合材料固化过程残余应力/应变的三维数值模拟

采用有限元分析软件ABAQUS,对具有金属内衬的纤维缠绕复合材料圆筒在固化过程中残余应力及应变的变化规律进行了模拟计算。采用FORTRAN语言编制了用以分析固化过程中残余应力的子程序,该子程序考虑了固化过程中复合材料力学性质的变化和由于树脂固化收缩产生的化学收缩应变。算例结果表明：复合材料和金属内衬的残余应力在初始阶段均接近于零,当固化到一定阶段,残余应力迅速增加并且很快达到最大值,在降温阶段释放了部分的残余应力;在整个固化过程中,金属内衬受到压应力,而纤维缠绕层受到拉应力。本文中的三维有限元模型可以得到任意时刻复合材料的温度及固化度分布,通过数值模拟可以有效地优化复合材料固化工艺参数,提高制件的质量。     

厚截面复合材料固化热-化学行为及残余应力研究进展

综述了厚截面复合材料固化热化学行为、残余应力以及力学性能厚度效应的研究进展,重点阐述了厚度效应对材料固化温度场和固化度分布的影响、厚截面复合材料残余应力的理论和实验研究进展,同时还介绍了一种适用于测量厚截面复合材料残余应力的方法——深孔法,并在此基础上对厚度效应的研究前景进行了展望。     

纤维缠绕复合材料起伏区域残余应力

针对纤维交叉起伏区域残余应力,建立一种细观分析模型。基于热传导方程、固化反应动力学模型和复合材料层合理论,采用有限元方法和细观分析模型,对缠绕复合材料在固化工艺过程中的残余应力分布及其变化规律进行数值模拟。通过算例,研究纤维起伏区域残余应力的分布特点,结果表明:起伏纤维束不同位置处残余应力差别很大,层合区纤维束呈现拉应力状态,起伏区纤维束呈现压应力状态,富树脂区出现最大压应力;残余应力沿纤维束起伏方向呈现V型变化趋势,在纤维束上不同位置出现拉、压不同的应力状态,起伏角度最大处出现最大压应力。     

SiC纤维增强钛基复合材料残余应力的数值模拟

采用有限元模拟方法研究了SiC纤维和SiC/Ti-6Al-4V复合材料的制备过程,用正交实验分析技术计算了不同参数对SiC纤维残余应力和复合材料致密度及残余应力的影响规律。结果表明,对于SiC纤维的制备过程,降低沉积温度和C涂层厚度则WC反应层中的轴向热应力降低。对于复合材料的热等静压过程,热等静压温度和包套厚度对复合材料致密度的影响较大,热等静压时间和纤维体积分数对致密度的影响较小,随着热等静压温度的升高和包套厚度的降低复合材料的致密度提高;适当提高热等静压温度和纤维体积分数、降低包套厚度能大大增大基体的径向残余应力和适当提高热等静压温度和包套厚度、降低热等静压时间,能大大降低基体的环向残余应力。建议热等静压温度为950-960℃,热等静压时间为9 h,包套的厚度为70-80 mm,纤维的体积分数为45%-50%。SiC纤维增强钛基复合材料残余应力模拟结果与用拉曼光谱法测试的数值有一定的不同,但是其变化趋势相近。     

具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器固化过程的数值模拟

基于固化反应动力学、热传导和复合材料层合理论, 采用了有限元分析方法, 对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕压力容器在固化工艺过程中的温度和热应力分布及其变化规律进行了数值模拟。通过一典型容器数值分析, 表明在固化工艺过程中, 中容器内部的所有应力分量具有同时达到峰值的特征, 其中应力分量的峰值出现在固化降温阶段的初期。提出了数值模拟的方法和分析结论对复合材料结构设计师和工艺师合理制订金属内衬复合材料纤维缠绕容器的工艺标准具有一定的参考价值。      

碳纤维/环氧超厚度复合材料壁板的固化工艺优化及性能

为制定适用于大厚度环氧基碳纤维增强复合材料的固化制度,首先采用热分析方法对预浸料的固化行为进行了详细的研究,结合预埋热电偶的方法在线监测了不同厚度的壁板在等速率升温条件下的固化过程,通过系统的研究,并提出了增加缓慢升温阶段的固化制度。文中对固化制度优化后的大厚度复合材料制件的进行了超声C扫描检测和内部微观结构等分析,结果证明,采用在120℃和150℃缓慢升温的方式可以有效地控制大厚度复合材料制件内部的固化集中放热现象,并可大幅度提高制造过程中的温度均匀性。采用上述工艺,有望得到质量优异的大厚度复合材料制件。     

电子封装用环氧树脂固化温度与应变的三维有限元模拟

环氧树脂因具有许多优异的性能而被广泛用作电子封装材料,然而环氧树脂在固化过程中产生的内应力会对封装产品的性能产生严重影响。针对一种用于电子封装的环氧树脂,通过实验分析了其固化动力学、密度、导热系数、玻璃化转变温度、弹性模量、化学收缩应变和热应变等性能参数,建立了固化过程中的数学模型。通过ABAQUS建立三维有限元模型,采用顺序耦合分析方式,分步进行传热分析和应力应变分析,模拟环氧树脂固化过程中的温度场、固化度场和应力应变场。最后采用光纤布拉格光栅（FBG）监测环氧树脂在固化过程中内部的温度和应变变化,并与模拟进行对比,结果表明本文所建立的有限元模型具有较高的可靠性。      

复合材料固化工艺的直热模具温度场均匀性分析

针对复合材料固化成型工艺的直热模具温度场均匀性进行了研究。建立模具温度场和复合材料固化反应温度场的耦合传热学模型,并对该模型进行有限元建模仿真分析。针对影响模具表面温度均匀性的主要因素,即电加热管的间距和功率,设计正交试验优化,优化后模具表面最大温差为3.5℃,达到行业标准。此外,对影响温度场均匀性的其他因素,即加热管与模具的接触热阻、复合材料层合板厚度进行了探讨,接触热阻的存在使得模具表面最大温差达到7.24℃,模具加热到指定温度多用时800 s,降低了效率。研究层合板对模具温度均匀性的影响时发现未加入复合材料时模具表面最大温差为4.44℃,加入层合板耦合后最大温差为3.5℃;厚度为毫米级时,层合板对直热模具表面温度均匀性影响不大。      

Experimental description of thermomechanical properties of carbon fiber-reinforced TiC matrix composites

Titanium carbide ceramic is a good potential material used in high temperature environment for its good strength, erosion resistance and thermal stability. Unfortunately, the low thermal shock resistance and low fracture toughness are the well-known impediments to its application as high temperature structure components. In order to extend the application of TiC ceramics at high temperature, 20 vol.% short carbon fiber was added into TiC matrix to improve the thermomechanical properties. With the incorporation of carbon fiber, the thermal expansion coefficient of TiC composites was decreased and the thermal conductivity was increased slightly below 900 °C. The flexural strength was improved from 471 MPa for monolithic TiC to 593 MPa for TiC composites, and the strengthening effect of carbon fiber became more prominent at high temperatures. The addition of fiber decreased the elastic modulus of TiC composite. The elastic modulus of the composite decreased with increasing temperature. The improvement of high temperature strength and thermal conductivity and the decrease of thermal expansion will benefit the application of TiC composites in high temperature environment where the temperature usually varies.     

热残余应力对C/SiC复合材料界面剪切强度影响的有限元分析

根据C/SiC复合材料的属性,建立单纤维顶出的二维轴对称模型,采用有限元法对C/SiC复合材料的界面剪切强度进行数值研究,分析中考虑材料制备过程中的残余应力对界面剪切强度的影响,在细观力学层面上系统分析纤维顶出过程的界面剪应力及其相关影响因素。分析得出,残余应力会对界面造成损伤,降低界面脱粘载荷。材料的界面承受能力与热膨胀系数呈正相关,与固化温度呈负相关。     

碳/环氧薄壁豆荚杆热-结构性能试验研究

碳纤维增强环氧树脂基复合材料成功应用于航天器结构,其热-结构效应是重点关注问题之一。该文以碳纤维增强环氧树脂基复合材料空间可展天线薄壁豆荚杆为研究对象,通过试验对其材料热物理参数进行测定,得到材料的热物理参数,测得其比热容和导热系数均随着温度升高而增大,符合材料热参数的变化规律。采用大体积真空罐、热沉和红外加热笼模拟空间热环境,对薄壁豆荚杆进行真空热辐射试验,得到试件特征位置处的瞬态、稳态温度场,并采用低温应变片测试特征点应变时程,分析得到薄壁豆荚杆在热辐射作用下纵向、横向及薄壁内外两侧热响应的温度和应变分布规律,为理论分析、数值研究和设计提供参考。     

碳纤维/环氧树脂预浸料固化过程中的热导率测定

采用调制式差示扫描量热技术(MDSC)实现了碳纤维/环氧预浸料固化过程中的热导率(垂直纤维方向和平行纤维方向)测定。在实验基础上建立了预浸料固化过程中的热导率二元二次函数模型, 确定了热导率随温度及固化度变化的函数关系。结果表明: T800/环氧预浸料沿纤维方向的热导率为1.15~1.40 W/(m·K), 垂直纤维方向热导率为0.85~1.25 W/(m·K)。在相同温度下, 预浸料的热导率值随固化度的增大而减小; 在相同固化度条件下, 预浸料的热导率值随温度的升高而增大。验证结果表明, 拟合所得热导率二元二次函数关系用于预浸料固化过程的数值模拟时, 将提高参数的准确性。