碳纤维/环氧树脂预浸带铺放应力场及制品微观结构的模拟与实验

碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料在铺放成型时,由于树脂基体与碳纤维之间的热膨胀系数存在差异以及成型时热-力参数作用下由于纤维的变形而导致纤维与基体接触处产生应力集中等原因,在制品材料中会产生热残余应力。针对碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的实际结构特点,利用ABAQUS有限元软件建立含有界面的碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的细观代表性体积单元(Representative volume element, RVE)有限元模型,采用实验研究和有限元仿真分析的方法,研究在温度-压力参数作用下预浸带铺放制品残余应力的分布规律及影响机理。首先,建立预浸带铺放时的温度和压力模型,研究不同温度和压力参数条件下碳纤维/环氧树脂预浸带铺放制品残余应力的分布情况。其次,采用耦合降温法模拟碳纤维/环氧树脂预浸带残余应力随纤维体积含量、铺放压力以及铺放温度的变化规律,并采用扫描电镜对不同工艺参数条件下预浸带铺放制品的微观结构进行分析。通过对模拟结果进行分析比较得到各因素对制品残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对预浸带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究。      

三维机织复合材料残余应力/应变多尺度分析及工艺参数优化

为预测三维机织复合材料工艺引入的残余应力/应变,提出工艺制度优化方案,建立了一种工艺过程分析的多尺度模型。通过建立纤维尺度及纱线尺度代表体元(RVE),计算了成型过程中纤维纱线及三维机织复合材料的模量演化历程。考虑固化过程中树脂的化学收缩效应,在纱线尺度上开展热-化学-力学耦合分析,预测了细观残余应力-应变及其演化规律。采用三维机织技术,实现了光纤布拉格光栅传感器(FBG)在三维机织预制体中的预埋,并对其树脂传递模塑(RTM)成型过程中的温度、应变历程进行监测,试验结果验证了有限元模型的准确性。采用基于空间信息、误差信息和优化结果的三种序列采样方法,建立了工艺过程分析代理模型,并开展工艺参数优化设计,结果显示采用优化后的工艺参数,残余应变降低了15.4%,工艺周期缩短了10.6%。      

石墨烯薄膜热声性能的三维数值计算与测试

对石墨烯薄膜进行电-热-声耦合的三维建模计算,并将计算结果与实验测试值进行对比分析。首先建立了通电石墨烯薄膜焦耳热的三维模型,计算出石墨烯薄膜表面的温度振荡和稳态温度分布;在此基础上,建立了热黏性声学和压力声学耦合的声扩散模型,计算出空间中声压的分布;分析了基底和空气参数对石墨烯薄膜发声的影响;最后对通电石墨烯薄膜进行温度测试和声压测试。结果表明：三维模型数值计算的温度分布与测试结果吻合良好,数值计算的声压值比一维近似解析解更接近实验值,验证了数值计算方法的有效性。三维模型的数值计算方法在复杂边界条件下分析薄膜的声学性能更具优势。     

面齿轮磨削齿面力热耦合及残余应力研究

根据面齿轮磨削残余应力的产生机理和Prandtl-Reuss方法,建立磨削表层热弹塑性力学本构关系;基于面齿轮磨削方法和Gleason接触原理,得出碟形砂轮磨削点接触椭圆方程参数、磨削力和磨削热流量的数学模型。构建面齿轮磨削单齿3D有限元模型,采用小步距移动法模拟磨削载荷的移动,仿真磨削温度场,得到磨削瞬态最高温度位于磨削接触弧中心区域。采用力热耦合间接法仿真分析了磨削表层残余应力,得出磨削齿面上为残余压应力,齿面里层为残余拉应力;随磨削深度和砂轮速度增大,齿面残余应力增加显著;但随展成速度增大,齿面残余应力增幅减小。采用X射线衍射法实验,对比分析了面齿轮磨削表层残余应力的实测值与仿真值,其相对误差最大值17.8%在精度控制范围内,说明力热耦合有限元分析残余应力有效,为改善面齿轮磨削质量提供了依据。     

PMMA微流控基片热压过程中残余应力

PMMA微流控基片在热压成形结束后由于模具和聚合物的热膨胀系数不同--热不匹配会产生残余应力,从而造成基片翘曲变形.本文采用基片曲率法来研究热压过程中基片中的残余应力,分析热压过程参数:温度、时间、压力对残余应力的影响,并确定使残余应力达到最小时的热压参数,当脱模温差在10%左右时,热压成型后的变形较小.最后通过有限元仿真来考察热压过程中的应力变化.     

纤维丝束带复合材料的有效性能预测与实验测试

依据纤维丝束带复合材料的相关几何结构参数值和所确定的纤维丝束带特征体积单元（RVE）模型几何结构尺寸,以有限元软件MSC.Patran/Nastran为平台建立纤维丝束带复合材料RVE有限元模型并在模型中置入相应的制备缺陷。各类制备缺陷的置入均采用删除网格单元的方法,置入裂纹型制备缺陷时偏移裂纹两侧单元相对面以获得当前裂纹宽度,置入孔洞型制备缺陷时尽量模拟其真实形貌。根据复合材料力学关于材料各性能参数的定义和细观力学基本理论推导了有限元计算细观力学（FECM）方法预测复合材料有效弹性性能和有效热膨胀性能的过程。根据FECM方法预测了不含制备缺陷、含单一制备缺陷和含各类制备缺陷时的弹性常数和有效热膨胀系数。结果表明:各类制备缺陷的存在均会使弹性模量和剪切模量减小,泊松比和热膨胀系数可能增大也可能减小。通过与实验测试结果对比分析可知,数值预测结果普遍比实验测试结果偏大,但总体效果较为理想,最大相对误差为6.04%。      

非球面玻璃透镜模压成型的有限元应力分析

针对玻璃镜片模压成型过程中无法获得精确的内部残余应力数据,本文提出使用有限元方法分析内应力变化历程及预测残余应力分布.该方法根据高温下玻璃性质近似于粘弹性材料,将五单元广义Maxwell 模型的蠕变响应并入有限元计算.采用高级非线性有限元程序MSC.Marc,分别对圆柱玻璃单轴压缩和非球面透镜模压成型进行了仿真,获得了玻璃镜片成型后的残余应力分布情况.在此基础上,文章重点分析了温度和模压速度对合模后镜片内部残余应力分布的影响.实验结果表明,最大应力出现在镜片的边缘区域;较低的温度和较高的模压速度都会增大最大残余应力值.     

聚碳酸酯光学制品注塑成型的残余应力EI北大核心CSCD

采用单一变量实验考察了不同注射工艺参数对光学制品双折射的分布规律,通过应力-光弹定律计算了对称轴上残余应力值。用Moldflow软件对制品成型过程中型腔内流场进行模拟,分析了厚度方向应力的变化。结果表明,沿熔体流动方向上,制品残余应力是逐渐减小的,浇口附近有应力集中;在合理工艺范围内,适当提高成型温度和模具温度,延长保压时间和冷却时间有助于减小制品的残余应力,保压压力和注塑速度应适中才能改善制品的成型质量。     

聚碳酸酯光学制品注塑成型的残余应力

采用单一变量实验考察了不同注射工艺参数对光学制品双折射的分布规律,通过应力-光弹定律计算了对称轴上残余应力值。用Moldflow软件对制品成型过程中型腔内流场进行模拟,分析了厚度方向应力的变化。结果表明,沿熔体流动方向上,制品残余应力是逐渐减小的,浇口附近有应力集中;在合理工艺范围内,适当提高成型温度和模具温度,延长保压时间和冷却时间有助于减小制品的残余应力,保压压力和注塑速度应适中才能改善制品的成型质量。     

基于数值模拟的注射成型聚碳酸酯热 /流动残余应力的壁厚特性

分别基于线性黏弹性模型和可压缩黏弹本构模型,采用相应的有限差分法和有限体积法作为控制方程的离散方法,以计算注射成型制品的流动残余应力和热残余应力.实现了对3 mm,7 mm和11 mm厚度注射成型聚碳酸酯平板的流动残余应力和热残余应力的数值模拟,并结合注射成型实验,分析了薄壁/厚壁制件流动残余应力、热残余应力和总残余应...     

The influence of distinct fiber arrangement on the thermo-mechanical behavior of steel fiber-reinforced thermoplastic matrix composites

The effect of different fiber arrangements on mechanical behavior was investigated by using both experimental study and finite elements analyses. In particular, this study examined resultant residual stresses and plastic strains of steel-fiber reinforced thermoplastic composite discs under constant convective air cooling conditions. Three composite discs were manufactured with an identical concentration of woven, circular and radial arrays. The thermal and mechanical properties of the composite discs were measured. The numerical and experimental cooling curves were converged to correctly describe the convective cooling condition of the finite element analyses. After the cooling, the residual stresses and plastic strains in each disc were compared with one another and the results were analyzed. No thermal residual stress or plastic strain was observed for the woven fiber array. Residual stress and plastic strain found in the circular fiber array was twice as high as those in the radial fiber array. It is concluded that the reinforcement fiber array of thermoplastic composites is an effective parameter to describe their thermo-mechanical properties for the formation of thermal residual stresses and plastic deformation.     

铺放工艺参数对预浸料丝束曲线铺贴质量的影响

为研究铺放工艺参数对复合材料预浸料丝束曲线铺贴质量的影响规律及作用机制,首先自主设计并搭建了可模拟铺丝机曲线铺贴运动的试验平台,进行了变铺放工艺参数与变铺放半径的预浸料丝束曲线铺贴试验。通过测量计算有效贴合长度比、褶皱角度及曲率半径比,并结合变铺放工艺参数的单因素剥离试验对铺放质量进行了表征。结果表明:曲线铺贴质量与预浸料丝束黏结力及弯曲刚度密切相关;随铺放温度、压力和张力增大、铺放速率减小,丝束黏结力上升,曲线铺贴质量提高;铺放温度升高引起的丝束弯曲刚度下降可提升曲线铺贴准确性,但过高的铺放温度会导致丝束黏性下降,曲线铺贴缺陷显著;铺放张力会改变丝束的受力状态,进而影响曲线铺贴路径的准确性;此外,曲线铺贴半径越小,铺放质量对工艺参数的变化越敏感。      

Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in wide-band laser surface melting processing

During laser surface melting of steel components, obtaining the desired distribution of microstructure and residual stresses with minimum distortion is essential for production goals and reliable service performance. In this study, a three-dimensional finite element based model, which is integrated into commercial finite element analysis (FEA) software SYSWELD by means of user subroutines, has been developed to simulate the wide-band laser surface melting (LSM) processing and predict temperature history and stress field with different laser scanning speed. In the proposed computational procedure, thermal, metallurgical transformation and mechanical aspects were taken into account, and the heat transfer analysis, the temperature dependent on material properties and a coupled transient thermo-mechanical analysis were used. Effects of laser scanning speed on melting temperature field and residual stress were investigated. The simulation results show that laser scanning speed changes have significant effects on melting residual stress. For experimental verification, laser surface melting of thin plate 42CrMo4 steel was achieved by a 5 kW continuous wave CO₂ laser with laser scanning speed from 10 m/s to 30 m/s. The computational results are in good agreement with experimental measurements.     

基于热力耦合模型铝合金搅拌摩擦焊接顺序优化仿真分析

基于所建立的搅拌摩擦焊接过程热输入模型和热力耦合有限元分析模型,对带圆孔铝合金板的搅拌摩擦焊接顺序进行了有限元研究,并得到了焊接过程中不同焊接方案下的温度、瞬态应力变化曲线以及焊后残余变形。通过综合比较可以看出,从两边向中间焊的方案2优于从中间向两边焊的方案1和从左向右的顺序焊接的方案3。此外,有限元模型求解结果和实验测量数据具有相当好的吻合。     

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。      

Material characterization and residual stresses simulation during the manufacturing process of epoxy matrix composites

A thermal, rheological and mechanical material characterization of an aeronautic epoxy resin from commercial prepreg is reported in this article. The kinetic of the crosslinking reaction of the resin is characterized and modeled. The specific heat, the glass transition temperature, the thermal expansion coefficients, the chemical shrinkage coefficients and the thermo-mechanical properties have been investigated as a function of temperature and degree of cure. Dynamic mechanical measurements are used to determine the gel point. Finally, the residual stresses developed during the curing process are calculated using a finite element simulation, taking into account the material properties evolutions according to proposed models. The results highlight the importance of the characterization accuracy and the associated models.     

Three-dimensional stress analysis of cracked satin woven carbon fiber reinforced/polymer composites under tension at cryogenic temperatures

We present a thermo-mechanical stress analysis for five harness satin (5HS) woven carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite laminates with cracks under tension at cryogenic temperatures. The three-dimensional finite element model assumes the cracks to be located in the transverse fiber bundles and to span the thickness of the fiber bundles. Numerical calculations are carried out, and the Young’s modulus and stress distributions near the crack fronts for two-layer and infinite-layer woven composite laminates are obtained and shown in graphical form. Results of this analysis demonstrate the effects of the residual thermal stresses and cracks on the mechanical behavior.     

复合材料自动铺丝工艺参数对应力波传播特征的作用机制

利用应力波特征能够有效识别材料结构中内部缺陷及其分布形式,为了将工艺载荷作为应力波激励源对预成型体内部缺陷进行识别,应首先研究铺丝过程中工艺参数对应力波传播特征的影响,以确定应力传感器的放置位置。本文采用有限元方法构建了铺丝过程热力耦合模型,分析了应力波特征参数与工艺参数之间的关系,并进行了实验验证。为了从微观能量角度解释工艺参数对应力波特征的影响规律,采用分子动力学方法,建立了预浸丝界面的分子模型,并计算出总能量、纤维表面能、基体内能等能量参数,识别和评价了不同工艺参数作用下的应力波驱动能量及其贡献比,以揭示工艺参数对应力波特征的能量作用机制。结果表明,以基体内能作为驱动能量的侧向应力波与工艺参数的关系明显,在不同工艺参数施载下,内部缺陷的形成对该波形的作用易于识别,该结论可作为应力传感器放置位置的参考依据。