基于组合芯模维形传压的复合材料帽型加筋构件固化过程压力分布及成型质量

为改善硅橡胶芯模辅助成型中调型孔工艺窗口过窄，导致复合材料帽型件成型质量对其敏感性过高问题，提出硅橡胶芯模&真空袋气囊组合新方法，并对不同调型孔硅橡胶芯模&真空袋气囊下成型的复合材料帽型件固化过程中压力分布和固化后成型精度、微观结构与力学性能进行了研究。结果表明：未开设调型孔&真空袋气囊，构件内部压力大小波动明显且不均分布，随着孔占比X_S的增大，在X_S=0.40～0.53内，构件内部压力均匀且稳定在所需压力0.6 MPa，同时，构件厚度和型腔高度平均差值仅为0.046 mm和0.40 mm，其三角区域微观结构质量较高，平均拉脱性能和增幅分别为3.42 MPa和23.02%。本文提出的方法具有更宽的调型孔工艺窗口，在复合材料帽型件固化成型领域具备一定应用潜力。     

基于多学科耦合的复合材料帽型加筋板制造仿真

民机复合材料帽型壁板自动化制造包含自动铺丝(AFP)和热压罐固化过程,工艺复杂,故有必要对其进行理论研究和建模。分别建立粘弹性力学和多孔渗流耦合模型对铺丝过程进行仿真;建立复合材料热传导、化学交联反应、固化动力学、多孔介质渗流和材料性能时变性耦合模型对固化过程进行仿真。应用所建立的耦合模型对AS4/3051-6系列碳纤维/环氧树脂(CFRP)预浸料热压罐固化制备复合材料平板工艺进行仿真,并将其结果与实验结果对比,验证了此方法的有效性。随后,将此方法应用于大型复合材料帽型壁板制造过程仿真,仿真结果表明:(1) AFP头在经过帽型腔体时存在下陷,下陷量与硅橡胶气囊支撑性能相关,应用本文设计芯模下陷量仿真值为原先的38%,铺丝头对蒙皮的影响面积仿真值为原先的30%;(2) 帽型加筋板内部温度与工艺温度不同,其最高温度出现在保温过程结束后升温阶段初期,预测值为工艺温度的106%,且接合处内外层温度差别明显;(3) 帽型加筋壁板内部黏度随时间先减小后急剧上升,内层黏度较外层黏度变化速率更大;(4) 帽型加筋板蒙皮平均厚度预测值由成型前的4.5 mm减少至4 mm,测量厚度为3.88 mm,仿真误差为3.1%。      

复合材料帽型加筋板轴压试验及承载能力预测

随着复合材料的广泛使用,复合材料帽型加筋板在飞机结构上的使用也越来越多。为研究复合材料帽型加筋板承受轴向压缩的能力,首先对不同蒙皮半径、蒙皮厚度及长桁间距的复合材料帽型加筋板进行了轴压试验,得到了局部屈曲载荷、破坏载荷与加筋板曲率系数、长桁间距的关系,然后,通过引入曲率修正系数,修正了现有加筋板屈曲载荷的工程估算公式;最后,利用分段处理法结合有效宽度概念改进了加筋板轴压极限承载的工程算法。结果表明:帽型复合材料加筋板局部屈曲载荷及最终破坏载荷与曲率系数正相关;改进的方法能对复合材料加筋板的极限承载进行准确预测。所得结果表明该方法为复合材料加筋板结构设计及载荷估算提供了一种新方法,具有一定的工程应用价值。      

夹芯结构复合材料构件VARI工艺仿真计算与成型实验

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,本文提出了一种简单方便的等效建模法。以矩形泡沫夹芯结构复合材料构件的铺层设计为基础,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM模拟软件对夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了模拟仿真计算,结合工艺成型实验进行了实验验证,并对制品的密度、树脂含量和力学性能等进行了测试与表征。结果表明:由等效建模法仿真计算所得理论充模时间与实测充模时间基本一致,且仿真计算所得树脂流动前锋位置曲线与工艺成型实验测试值也比较吻合;VARI工艺成型对夹芯结构复合材料制品性能的分布均匀性有一定影响。     

成型工艺对复合材料帽型加筋板轴压特性的影响

对受到边界约束的不同工艺成型复合材料帽型加筋板进行轴压实验,研究二次胶接和共固化工艺对复合材料帽型加筋板压缩稳定性与承载能力的影响,同时分析蒙皮厚度及填充泡沫对加筋板轴压特性的影响。实验使用应变计监测加筋板局部失稳特性,并记录声响和断面观测以分析结构破坏机理。结果表明:蒙皮厚度显著影响结构压缩性能;聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)填充泡沫能小幅度提高结构失稳载荷,但对结构破坏载荷无显著影响;相比二次胶接加筋板,共固化加筋板失稳载荷和破坏载荷均降低约18%;共固化加筋板损伤出现较早,且破坏是由分层引起,而二次胶接加筋板主要是脱粘破坏。     

软模辅助RTM成型舱段构件及其性能研究

某些复合材料结构件尺寸较大且内部结构复杂,难以通过传统RTM工艺一次整体成型,并且因其成型压力低而致纤维含量不高,成型构件力学性能不佳.本研究用硅橡胶来浇铸成型特定形状的软模,采用软模辅助RTM来制备舱段构件这一典型航天结构件.由于硅橡胶软模在复合材料固化成型过程中发挥了设计中的膨胀挤胶作用,复合材料的纤维体积含量和力学性能得到了显著提高,舱段整体力学性能满足了航天主承力结构件的使用要求,因此软模辅助RTM在制备具有内部复杂结构的装备结构件上具有广阔的发展前途.     

粘弹性复合材料网格结构软模工艺数值仿真

复合材料网格结构软模成型共固化工艺具有低成本,高效率和高质量的特点.首先建立了网格结构软模成型共固化工艺过程有限元分析的数值仿真模型,然后通过典型算例,模拟了成型工艺中温度场,固化度场的相互影响及对粘弹性复合材料网格结构应力场的影响.论文工作对复合材料网格结构软模成型共固化工艺参数优化具有一定的参考价值.     

典型夹芯结构复合材料VARI工艺成型仿真计算研究

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,提出了一种简单方便的等效建模法。以弧形和带加强筋的夹芯结构复合材料构件为基础模型,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM软件对两种夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了仿真计算,并结合工艺成型实验进行了实验验证。     

热膨胀工艺硅橡胶芯模对复合材料圆管成型的影响

在建立硅橡胶芯模尺寸及工艺间隙设计公式的基础上,采用硅橡胶热膨胀工艺制备了碳纤维/双马树脂复合材料圆管,考察了不同厚度硅橡胶芯模对成型过程温度分布及预浸料铺层内部树脂压力的影响,并分析了圆管的成型质量。结果表明：硅橡胶芯模的厚度对温度分布影响较大,厚度为5mm时,温度分布比较均匀;铺层内的树脂压力能够达到设计压力,但不...     

缝合增强复合材料帽型加筋壁板界面拉脱性能

为了防止复合材料帽型加筋壁板结构在服役过程中发生筋条与蒙皮的脱粘失效,引入了缝合技术来提高筋条-蒙皮界面拉脱性能.采用单线弯针缝合设备缝合纤维编织布,通过真空辅助树脂灌注技术(VARl)固化成型,制备缝合帽型加筋壁板试样.通过对试样进行筋条拉脱试验和有限元数值模拟,研究界面的失效机制及缝合参数对帽型加筋壁板界面结合性能的影响规律.结果表明:在拉脱载荷作用下,缝合试样的峰值载荷比未缝合试样明显增大.帽型试样的拉脱承载力随缝合密度的增大先增加后减小,在缝合密度(注:缝合密度表示缝合针距(单位mm)×行距(单位mm),下文同)为5×10时,相比未缝合试样,最高增加了26.7％;帽型接头的拉脱承载力随缝线细度的增加而增加,在缝线细度为1500 D时增加了39.7％.蒙皮/筋条厚度比为2时,结构拉脱承载力增加了27.35％,缝合的增强效果最明显.     

吸湿后复合材料层合板快速加热分层扩展数值模拟

为研究复合材料层合板吸湿后的分层现象,首先建立了吸湿后复合材料层合板快速加热导致分层损伤的有限元模型,并对ABAQUS有限元软件进行二次开发,通过UAMP子程序模拟吸湿后复合材料快速加热时水分汽化引起的局部高压载荷作用下层合板分层扩展与载荷施加过程;然后,采用该模型预测了饱和吸湿T650-35/HFPE-II-52碳纤维聚酰亚胺复合材料层合板快速加热至310 ℃时产生的分层现象,并将数值模拟与文献实验结果对比;最后,运用该模型分析了树脂吸湿量和富脂区树脂聚集体积对层合板分层损伤面积的影响。结果表明:建立的有限元模型有效;快速加热后,层合板的分层损伤面积随树脂吸湿量的增加而增加;当富脂区树脂聚集体积较小时,其对层合板快速加热后分层损伤面积影响较小,但当富脂区树脂聚集体积增加到一定值后,层合板分层损伤面积随富脂区树脂聚集体积的增加而显著增加。所得结论表明,使用ABAQUS的UAMP子程序建立的有限元模型可以有效分析吸湿后复合材料层合板快速加热导致的分层现象。      

导电炭黑填充硅橡胶的电阻温度系数

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备导电复合材料。研究导电橡胶中炭黑质量分数对电阻温度系数的影响,并用填料对电阻温度系数的影响。以隧道效应理论为基础,给出了导电炭黑填充橡胶的电阻温度系数计算模型,结合实验得到温度对导电炭黑/硅橡胶电阻温度系数的影响主要体现在对其电阻率的影响;基体的体积热膨胀提高复合材料的电阻率,提高了正电阻温度系数;炭黑粒子间的隧道效应降低复合材料的电阻率,增强了负电阻温度系数;在炭黑/硅橡胶中加入少量碳纳米管,利用碳纳米管和炭黑的协同补强效应,使复合材料的导电性和稳定性提高。     

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。      

Hybrid truss concepts for carbon fiber composite pyramidal lattice structures

A novel hybrid truss construction concept is presented that incorporates a second-phase core material into trusses of carbon fiber (CF) composite pyramidal lattice (CPL) structures. Embedded core materials of wood and silicone rubber are selected for trial structures. Hybrid CPL structures were fabricated using a hot press molding approach and out-of-plane compression tests were performed to investigate properties. For prototype wood–core truss CPL, structural efficiencies increased comparing with solid truss CPL, while energy absorption capability was enhanced for rubber–core truss CPL. Employing the hybrid truss construction, the density-specific performance space of CF composite lattice structures can be expanded, and desired functional potential can be realized by judicious selection of core materials while simultaneously retaining structural properties.     

Design procedure for reducing the stress concentration around circular holes in laminated composites

The stress concentration around a hole in a laminated composite may be decreased by increasing the thickness (bonding of two-dimensional panels) in this area. The problem may be described as an infinite orthotropic membrane with a finite circular orthotropic inclusion (ring) and a circular hole in the middle of the ring under arbitrary in-plane loading. A method for calculation of the stress concentration at the edge of the hole is presented. The method is based on the analytical solution for the case of an infinite inclusion. The finite dimensions of the inclusion are taken into account by means of a correction coefficient which is established empirically by processing a large amount of finite element results.     

基于周期性边界条件的炭黑填充橡胶复合材料力学行为的预测

在分析炭黑填充橡胶复合材料的宏观与细观特征之间联系的基础上,提出了具有随机分布形态的代表性体积单元,推导并应用了周期性细观结构的边界约束条件,建立了三维多颗粒夹杂代表性体积单元的数值模型,对炭黑填充橡胶复合材料的宏观力学行为进行了模拟仿真。研究表明,该模型通过周期性边界条件的约束保证了宏观结构变形场和应力场的协调性;计算得到的炭黑填充橡胶复合材料的弹性模量明显高于未填充橡胶材料,并随着炭黑颗粒所占体积分数的增加而增大;该模型对复合材料有效弹性模量的预测结果与实验结果吻合较好,而且比Bergstrom三维模型的预测结果更好,证实了该模型能够用于炭黑颗粒增强橡胶基复合材料有效性能的模拟分析。     

复合材料夹芯管胶接连接结构力学特性分析

针对在航空结构中广泛应用的复合材料蜂窝夹芯圆管中的接头这一最脆弱的部分,发展了一种分析复合材料蜂窝夹芯圆管胶粘接头力学特性的解析模型.该模型根据Gibson修正公式得到了蜂窝芯子的等效弹性参数,再运用经典的复合材料壳理论和线弹性理论得到管接头的控制方程,并通过状态空间法进行求解.运用本文模型,计算了管接头在扭矩和弯矩作用下胶层内的剪应力和剥离应力;同时采用有限元法对模型进行了数值模拟,并将模拟结果与模型计算结果进行了对比,最后分析了搭接长度对胶层内应力的影响.     

树脂膜熔渗工艺充模过程的模拟与分析

树脂膜熔渗工艺(RFI)是一种新型的复合材料成型工艺.为了更深入了解树脂膜熔渗工艺过程中充模阶段的控制参数对制品质量的影响,避免制品出现空斑、充模不完全等问题,针对该工艺过程中树脂在复杂形状预制件中的流动行为进行了分析,在达西定律基础上建立了二维等温流动控制方程,利用有限元/控制体方法建立了数值分析模型,编制了FORTRAN程序进行模拟运算,并讨论了流动过程中施加的压力对充模时间的影响.由计算实例可见,所编制程序能够很好地预测树脂膜熔渗工艺过程中充模时间、各个时刻树脂的流动前沿位置及模腔中的压力分布.