GFRP拉挤成型工艺模拟优化

为了对GFRP (玻璃纤维增强塑料) 拉挤成型非稳态温度场与固化度进行数值模拟, 依据固化动力学和非稳态导热理论, 建立了温度场和固化度动力学模型。通过 DSC试验分析确定了模型中固化度动力学参数。利用有限元与有限差分相结合的方法, 建立温度场和固化度数值模型, 应用Euler-Cauch逐步迭代法实现计算机解耦。利用有限元软件FEPG编制拉挤固化模拟程序, 详细探讨了模具温度、拉挤速度、初始温度等拉挤工艺参数对模具内温度和固化度分布的影响。数值模拟值与FBG光栅测量值比较结果吻合, 能够对拉挤工艺参数制定提供有用的信息, 以指导拉挤工艺制定。      

基于神经网络遗传算法的GFRP拉挤双目标优化

为研究玻璃钢(GFRP)拉挤工艺参数对复合材料性能的影响,优化最佳拉挤工艺参数,建立了拉挤工艺过程数学模型,结合基于有限元/有限差分的间接解耦法进行求解,模拟得到了拉挤过程中GFRP内部的非稳态温度场和固化度变化情况.分别采用布拉格光栅光纤温度传感器和索氏萃取法检测拉挤GFRP内部的温度与固化度,实测温度和固化度均与模拟温度和固化度吻合,验证了数值模拟程序的正确性.以数值模拟结果为样本,建立反向传播神经网络,得到拉挤工艺参数(固化温度、拉挤速度)与GFRP固化度之间的非线性相关关系,再结合遗传算法解决拉挤过程中固化炉温度和拉挤速度双目标优化问题.优化得到的拉挤工艺参数可在保证复合材料固化度达标的情况下,提高拉挤速度降低固化炉温度,优化效果显著.神经网络遗传算法优化方法能有效解决此类具有复杂非线性关系的多目标优化问题.     

聚合物基复合材料模压成型过程固化度与非稳态温度场的数值模拟

聚合物基复合材料模压成型过程固化度与温度的动态变化为强耦合关系。本文作者根据固化动力学和传热学理论,建立了非稳态温度场与固化动力学数学模型。通过DSC实验分析确定模型中固化动力学参数。利用有限单元与有限差分相结合的方法,建立了温度场和固化度数值模型。应用Euler逐步迭代法实现解耦。对聚合物基复合材料模压成型过程固化度与非稳态温度场动态变化进行计算机数值模拟,与试验测定结果吻合。为优化模压成型工艺提供理论依据。     

超薄金属内衬CFRP压力容器树脂体系固化动力学

应用动态差示扫描量热(DSC)方法对炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)压力容器树脂体系固化反应进行分析。树脂体系的活化能通过等转化率法获得, 假设反应机制服从自催化方程, 应用本文中提出的区间法建立了树脂体系固化动力学模型。通过固化过程中温度场实验可知, 针对具有超薄金属内衬复合材料压力容器树脂体系, 应用区间法建立的固化动力学模型的计算结果与实验结果吻合较好, 可以为具有超薄金属内衬的CFRP压力容器温度场、 残余应力场的数值模拟提供必要子模型。      

拉挤工艺体系的乙烯基酯树脂固化动力学

采用非等温DSC法研究了适舍于拉挤工艺的乙烯基酯树脂体系固化反应动力学，用Kjssinger方程和Crane方程求得树脂体系固化反应的表观活化能为68．3kJ／mol，反应级数为0．918。通过活化能与固化放热量的对比与实验观察，发现在拉挤工艺初期存在温升现象，常规数学模型难以模拟拉挤初期的热量平衡；通过基于非等温DSC法的固化度分析．认为高效的拉挤工艺通常会件随低的固化度，并从树脂配方体系和工艺方面提出了解决方案。     

环氧树脂灌封结构固化行为数值模拟和工艺优化

依据实验测试获得E51环氧树脂的固化动力学和力学性能参数,针对特定尺寸的E51树脂灌封结构,将数值模拟与实验方法相结合,优化树脂的常温固化工艺为“二阶段”中高温固化工艺。首先采用数值模拟方法,分别比较第一段保温平台和第二段保温平台不同温度幅值和固化时间对结构内部的温度、固化度和应变的影响,优选固化工艺参数;然后基于光纤布拉格光栅(FBG)监测技术,对优选和原始固化工艺曲线的结构内部的固化温度和应变进行实时在线监测,结果表明了数值模拟的可行性,显示了通过数值仿真优选固化工艺曲线的可靠性;最后实验测试比较优选工艺和原始工艺曲线下制造的E51树脂浇注体性能,结果显示优选工艺制造的树脂浇注体的拉伸强度、压缩屈服强度、弯曲强度和冲击强度相比原始工艺制作的试样分别提高了3.9%、1.5%、14.5%和16.2%。      

预浸料先进拉挤成型的固化传热过程数值模拟

对M21C碳纤维/环氧树脂复合材料预浸料在先进拉挤成型过程中的温度与固化度曲线进行了研究。使用DSC测得M21C预浸料在升温与恒温状态下的固化反应动力学方程,用于树脂固化反应的计算。基于有限元软件,结合有限差分法与体积控制法编写脚本解决热传导与树脂固化反应的计算,从而得到温度与固化度曲线,并在先进拉挤生产中测得实际的温度与固化度曲线,结果表明计算与实测曲线基本吻合,因此验证了算法的可行性。改变先进拉挤的工艺参数（加热温度区间、拉挤速度）再进行模拟计算,通过计算结果优化工艺参数,得到帽形梁先进拉挤三区间加热的理想工艺参数:模具加热温度区间为160-180-200℃;拉挤速度为1 cm/60 s。      

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。      

复合材料先进网格结构共固化工艺的温度场模拟

基于ANSYS软件开发了用于模拟复合材料固化过程中温度-固化度耦合场变化程序, 并分别采用二维和三维有限元模型对复合材料先进正交网格结构的软模辅助共固化工艺过程进行了数值仿真。计算结果分析表明: 二维有限元模型不考虑网格结构肋骨交叉点的影响, 能以较大时间步长进行共固化工艺的数值模拟, 且分析结果具有较高的精度; 三维精细有限元模型可考虑肋骨交叉点在共固化工艺中对复合材料先进网格结构内温度-固化度耦合场的影响; 肋骨交叉点附近的温度场明显高于结构的其他部位。      

浇注聚氨酯固化过程的数值模拟

基于反应动力学和能量守恒方程,对浇注聚氨酯成型的固化过程进行了合理的假设和必要的简化,建立了体系反应程度和温度的数学模型,并采用交替方向隐式法对区域进行了有限差分,结合数学软件matlab对固化过程进行了动态模拟,获得了二维内热源的非稳态传热的数值解,确定了合理的工艺条件。     

Optimization for CFRP pultrusion process based on genetic algorithm-neural network

The temperature and the degree of cure of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) are coupled during pultrusion. In this paper, the governing equations for heat transfer and resin curing are solved by the combination of finite element method, finite different method and indirect decoupling method. The kinetic parameters needed for simulation are obtained from differential scanning calorimetry (DSC) measurement. The temperature of composites on real time during pultrusion is monitored by the fiber Bragg grating (FBG) sensor. And the final degree of cure of composites is also measured through Sorbitic extraction. It shows that the simulation procedure is effective and reliable and predicts temperature and degree of cure which are in good agreement with the experimental results. On the basis of the simulated results, the relationship between processing parameters and degree of cure is formed by artificial neural network. And genetic algorithm combines with the artificial neural network to solve the bi-objective optimization for CFRP pultrusion. It shows that there are considerable improvements in pull speeds and die temperatures after optimization by ANN and GA.     

Heat transfer and cure analysis for the pultrusion of a fiberglass-vinyl ester I beam

In the present paper, the heat transfer and curing process during the pultrusion of a fiberglass-vinyl ester I beam is simulated using a finite element/control volume procedure developed at the Cooperative Research Centre for Advanced Composite Structures (CRC-ACS). The governing equations for the pultrusion process are introduced. The numerical algorithm adapted to solve the equations is briefly described. Numerical simulations are conducted to obtain the temperature and curing profiles for different temperature settings and pull speeds. The predicted temperature profiles are compared with those obtained experimentally. Good agreement is observed. The result of the present work enhances our confidence in applying the numerical procedure as a routine design and analysis tool for the pultrusion tooling and process development.     

A Dynamic Transient Model to Simulate the Time Dependent Pultrusion Process of Glass/Polyester Composites

The objective of this paper is to introduce a novel dynamic transient model to simulate the time dependent pultrusion process of glass/polyester composites. The model is able to simulate the resin curing process systematically. The resin curing process is divided in two liquid and gel-solid phases. Physical properties of the resin including resin specific heat, viscosity and thermal conductivity change by altering the resin temperature and the degree of cure. It is shown that in liquid and gel-solid phases, some of the resin physical properties have significant role in heat transfer phenomenon and affect simulation results. The physical and mechanical properties of fibers do not change during the curing process of composites; therefore, an equivalent material is introduced instead of the resin-fiber compound. The model simulates the heat generation during the resin curing process. The degree of cure of the resin, used for the resin viscosity calculation, is an important parameter indicating the final stage of simulation of resin curing process. The components of the model are integrated in a finite element method. As case studies, the process of pultrusion of circular, rectangular and I cross-sections are simulated by the model. The results show that the model is able to simulate the pultrusion process very well.     

连续玻璃纤维/聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数

采用复合纱拉挤方法制备连续玻璃纤维/聚丙烯(GF/PP)热塑性复合材料,研究了复合纱拉挤成型过程中模具温度及拉挤速度对GF/PP复合材料截面中心温度的影响。以傅里叶定律为理论基础,分析了拉挤过程中模腔内的瞬态传热过程;建立了工艺参数矩阵,通过有限元数值计算,预测了不同模具温度、拉挤速度下GF/PP复合材料截面中心的温度变化,优选了工艺参数组合。通过实验制备不同温度、不同拉挤速度的GF/PP复合材料,并进行弯曲模量测试及截面形貌观察。结果表明:在GF/PP复合纱拉挤过程中,拉挤速度不宜超过350 mm/min,模具熔融区温度设定应高于180℃;GF/PP复合材料在150℃-230℃-50℃成型温度、100 mm/min拉挤速度的工艺参数设定下获得最优的制品力学性能;在设定拉挤参数时,拉挤速度相较于熔融区温度更重要。      

基于内埋光纤Bragg光栅传感器的复合材料固化过程监测

为了全面了解复合材料的固化特性,在对碳纤维增强树脂基复合材料固化变形进行数值仿真分析的基础上,将自行设计的光纤Bragg光栅（FBG）传感器埋入复合材料中,实时在线监测复合材料固化过程中温度和应变的演变。预浸料铺层方式为[0₁₁/90₁₁],分别在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器,采用热模压方式固化成型复合材料层合板,并对成型后的层合板进行连续2次降温处理,实时记录固化过程中FBG传感器中心波长的变化。结果表明:在相同的温度条件下,复合材料在第1次降温初始阶段的压应变绝对值明显小于在第2次降温初始阶段的压应变绝对值,表明复合材料在第1次降温过程中仍在进行FBG传感器可检的“后固化”反应;此外,层合板变形的FBG传感器监测数据与有限元模拟结果吻合良好。因此,采用内埋FBG传感器的方法能够实时监测复合材料固化过程,为更全面地分析复合材料固化特性提供了一种可靠有效的方法。      

固化温度对亚麻纤维及其增强复合材料力学性能的影响

研究热压成型过程中,不同固化温度对亚麻纤维及其增强复合材料力学性能的影响。结果表明:亚麻纤维在120,140℃和180℃分别处理2h后单纤维拉伸性能发生不同程度的下降。环氧树脂E-51在120,140℃和180℃下固化2h后拉伸性能未发生明显变化。基于环氧树脂的单向亚麻纱线增强复合材料分别在120℃和140℃固化成型时,拉伸强度和冲击强度变化不大。但当固化温度达到180℃时,由于亚麻纤维在高温环境下损伤较为严重,其增强复合材料的拉伸强度和冲击强度均发生明显的下降。然而复合材料的拉伸模量随着成型温度的升高有一定幅度的提升。     

Numerical modeling on pultrusion of composite I beam

Pultrusion is one of the most efficient methods for making fiber reinforced polymer composite parts. However, more work needs to be done to develop scientific means for the pultrusion tooling design and process control. This paper describes numerical simulation on the pultrusion of fiberglass–vinyl ester composite I beams using a numerical procedure based on general-purpose FE packages. The theory and numerical implementation of the procedure is briefly introduced. The procedure is verified by good agreement between the predicted temperature profiles and the experimental ones. The effect of various process parameters and/or heating configurations on the temperature and curing profiles in the composite I beams are investigated numerically. The results are used to determine preferred process conditions and/or heating configurations for the pultrusion of the composite I beams.     

碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)复合材料拉拔制管工艺设计和模拟

从太空制造角度出发,设计了一种碳纤维/聚醚醚酮(PEEK)预浸复合板料拉拔连续制管工艺.综合考虑了预浸复合板料的供料放卷过程、冲压、拉拔成形工步和超声焊接工序,并创造性的提出了卷曲拉挤成型方式.利用Johnson-Cook和Holzapfel-Gasser-Ogden模型构建了一种以PEEK为基体,以碳纤维编织布为增强体相互叠加的材料模型,通过实验数据确定材料参数.采用商业软件ABAQUS对各工序分步进行了地面条件下的有限元数值模拟,分析了预浸复合材料板材在供料放卷、冲压拉拔成形过程中的应力分布,并采用蔡-希尔最大变形能理论证明了本文设计的放卷模具和卷曲成形模具可以进行连续制管.在焊接过程中,分析了预浸料基体PEEK在焊接区域产生的Mises应力分布,证明了超声波焊接方案对管材表面质量的影响较小.模拟结果表明,所设计的连续拉拔制管工艺能够快速有效地生产出表面良好的管材.仿真结果可为后续复合材料在轨拉拔连续制管的工艺设计和制造提供借鉴.