热压罐成型复合材料固化变形机理及控制研究

复合材料零件固化变形是多种因素综合作用的结果,如何优化结构及制造工艺以降低固化变形是许多科研工作者长期研究的课题.根据过程诱导应力和变形产生机理可将影响固化变形的因素分为热应力、固化收缩应力、温度梯度与树脂固化度、压力分布和树脂流动、模具与零件的相互作用等.分别介绍了这几种因素导致固化变形的机理,同时阐述了目前固化变形控制的研究进展.     

热压罐工艺环境对于先进复合材料框架式成型模具温度场的影响

热压罐固化工艺过程中的模具温度分布对于先进复合材料成形质量影响很大。本文在之前相关文献研究的基础上,对模具温度场分布的工艺环境因素作了进一步的研究。结果表明,工艺环境因素中,风速、升降温速率对于模具型面温差影响显著,而模具在罐内的摆放位置则对模具型面温度场温差影响很小。     

复合材料构件热压罐成型工艺质量的群子理论分析

基于热压罐成型复合材料构件的无损检测数据, 利用群子统计理论分析了复合材料构件结构形式与成型质量的关联性, 建立了分层面积的群子模型, 获得了反映分层面积倾向性的群子参数, 对热压罐成型复合材料构件的工艺质量进行了评价。结果表明, 在所统计的航空复合材料构件中, 构件的分层面积分布以小分层为主, 构形复杂（如工形件）、过薄（1~2 mm）或过厚（>5 mm）的复合材料构件产生大分层的倾向性增大, 同时分层面积分布的分散性也增大, 成型质量不易控制。      

非热压罐工艺模具对复合材料加筋壁板固化变形影响的有限元分析

通过真空袋成型工艺,利用CYCOM 5320-1材料体系制备了碳纤维/树脂基复合材料T型加筋壁板,并应用激光跟踪仪测量了其固化变形量。针对考虑模具影响和不考虑模具影响两种情况,利用有限元方法模拟了该加筋壁板固化过程。结果表明：数值模拟固化变形趋势和实验结果趋势相同,在宽度方向上吻合较好。考虑模具因素比未考虑模具因素的模拟结果更接近真实变形值,这是由于复合材料在达到树脂凝胶点之前,模具受热挤压模腔,导致构件产生永久性变形造成的。     

橡胶辅助增压在非热压罐成型工艺中的应用研究

目的 针对蒙皮带筋典型构件,在容易产生孔隙的加强筋底部放入橡胶增压,以优化应力场、减小孔隙缺陷。方法 针对CFRP固化成型制度,进行红/蓝2种橡胶模量、热膨胀系数测试及双马树脂流变测试。基于材料测试数据及预浸料固化特征建立了固化前中后3类数值仿真模型,以对比不同橡胶在不同固化时期的增压效果。结果 在固化前期,红、蓝橡胶均有增压作用,可使加强筋底部应力提高约5倍;在固化中期,红橡胶有显著增压作用,可使加强筋底部应力提高约9倍并改善应力梯度;在固化后期,橡胶难以发挥增压作用。结论 红橡胶可显著发挥增压作用,有效解决加强筋固化成型前中期底部应力不足的问题;在CFRP固化前期,热膨胀系数是影响热应力的主要因素,在固化后期,模量为主要因素。通过对比多组仿真数据,明确了最优增压材料及最主要的材料属性,为解决OOA成型局部压力不足的问题提供了指导方向。     

炭纤维增强脂基复合材料热压罐成型模具设计知识管理框架

热压罐成型法是大尺寸高质量炭纤维增强树脂基复合材料制件的主要生产方法,其生产工艺过程数字化是其工艺方法研究热点之一.制定生产工艺所需要各项信息的数字化表达是实现其工艺数字化的基础,信息描述的质量直接影响到工艺知识的重用性.在详细分析热压罐成型法生产工艺制定需考虑的设备、工艺、工装等因素的基础上,应用本体技术对炭纤维增强树脂基复合材料热压罐生产所用到的设备能力参数、工艺过程参数、工装模具信息进行了数字化描述,建立主要工艺装备框架式模具设计的知识表达模型框架,开发了基于模拟的模具设计原型系统.研究结果可用于热压罐成型模具设计知识的存储和推理重用.     

复材成型工艺用热压罐的压力真空测量系统分析

热压罐成型工艺是复合材料的主要成型工艺之一。其压力、真空参数目前大部分采用数字化测量技术用于数据采集和记录,热压罐的压力真空系统一般是由压力传感器(变送器)、显示仪表和记录仪表组成。本文从压力传感器(变送器)及仪表的校准方法角度分析,通过实验验证,指出了热压罐压力真空系统校准过程中需要注意的问题并给出相应的完善方案。     

飞机复合材料制件热压罐成型温度场均匀性优化方法

针对热固性复合材料制件热压罐成型过程中,工装结构优化和降低升温速率等温度场均匀性优化方法的不足,提出了在"温度低谷"区域添加加热器来提高温度场均匀性的方法。通过温度场模拟确定加热器的个数、安放位置,并求解各个加热器的功率密度,实现对"温度低谷"区域的热量补偿,提高温度场的均匀性。通过实例分析,将热量补偿前的温度场和补偿后的进行对比,最大温差从20℃降低到6.5℃,温度场均匀性有了很大的改善。     

热压罐零吸胶工艺树脂压力在线测试及其变化规律

针对碳纤维缎纹布/环氧914预浸料热压罐零吸胶工艺,采用热压成型过程树脂压力在线测试系统监测树脂压力的大小与分布,分析了真空、外加气压对树脂压力的作用规律,通过显微观察研究了真空及外加气压对孔隙缺陷的影响。实验结果表明,所采用的在线测试系统可以定量分析真空在铺层内的作用程度和树脂压力的变化;零吸胶工艺树脂承担了大部分外压且沿层板厚度及面内方向分布均匀;真空通过铺层内的气路通道排出夹杂空气,其作用程度受到树脂黏流状态和铺层密实程度的影响;不同压力条件下复合材料层板孔隙状况与树脂压力的测试结果相吻合。     

变厚度复合材料热压罐工艺层板厚度控制的实验研究

针对2种碳纤维织物/环氧预浸料,采用热压罐工艺在不同条件下制备了变厚度层板,并通过层板内部形貌、层板厚度、纤维含量、吸胶量、织物渗透率的测试分析,研究了变厚度层板的密实过程和纤维分布的影响因素。结果表明：密实过程中树脂的二维流动导致2种织物变厚度层板厚板区的纤维含量高于薄板区;G0827单向织物的面内渗透率与厚度方向渗透率比值大于G0803缎纹织物,造成G0827织物变厚度层板的纤维分布不均匀性更大;无吸胶材料的条件下层板内纤维分布均匀,说明吸胶材料内树脂的面内流动对层板的纤维分布有很大影响。     

采用薄膜传感器的树脂基复合材料热压罐工艺密实压力测试方法

针对树脂基复合材料层板热压罐成型工艺,采用薄膜压力传感器建立了密实压力在线测试系统,用于监测成型过程中复合材料所受密实压力的大小和分布。研究了密实压力测试系统在热压罐工艺条件下的适用性,在此基础上以该系统为测试手段,研究了热压罐工艺下L形碳纤维/环氧树脂复合材料层板的密实压力变化规律及模具形式的影响。结果表明: 所建立的密实压力测试系统具有较高的准确性和动态响应性,能够测试高温条件及曲面位置的密实压力,满足复合材料热压罐成型过程中密实压力的在线测试要求; L形复合材料层板成型过程中拐角区与平板区的密实压力随热压罐压力增大而增加,但增加速度和最终大小不同,阳模成型时拐角区密实压力高于平板区,阴模成型时拐角区密实压力小于平板区和外加压力,表明曲面结构与平板结构的密实行为具有差异性。     

L形复合材料层板热压工艺密实变形过程的数值模拟

基于 Biot 固结原理和达西定律 , 建立了二维树脂流动与纤维密实模型 , 采用有限元方法实现了 L 形层板热压成型过程树脂压力分布、 层板变形的预测。通过对 AS4 炭纤维/环氧 350126 等厚层板厚度变化的模拟结果与实验数据的对比分析 , 证明了数学模型和有限元程序的可靠性。以阳模成型 90° 铺层 S22玻璃纤维/环氧 648L 形层板为例 , 对工艺过程层板厚度变化进行了分析。模拟结果表明 : 剪切模量对拐角以及拐角与平板过渡区域的变形影响较大 ; 平板长度对拐角区域变形影响较明显 , 对平板区的变形影响较小。采用热压罐制备了 90° 铺层S22玻璃纤维/环氧 648阳模成型 L 形层板 , 实验数据表明 , 固化后层板呈现拐角区厚、 平板区薄的厚度不均现象 , 并且平板长度对拐角区厚度变化影响较显著 , 这与数值预测结果具有较好的一致性。     

Analysis of shrinkage deformations in concrete structures

An analytical method for predicting shrinkage deformations in both cracked and uncracked states is discussed. The validity of this method was verified by conducting an experimental investigation in which deformations due to shrinkage were measured for more than 300 days in the laboratory. The curvatures due to shrinkage were found to be different in cracked and uncracked states. The introduction of compression reinforcement was found to reduce the shrinkage curvatures, whereas increase in tension reinforcement was found to increase shrinkage curvatures. Equations presented here for computing these deformations compare fairly well with experimental data and are recommended to be used in the serviceability analysis of concrete members.     

T形加筋板热压罐成型过程压力分布与树脂流动实验研究

针对飞行器复合材料常用加筋板结构,采用胶接共固化整体工艺成型T形加筋板。采用自行建立的压力测试方法测试了 T形加筋板在热压罐成型过程的压力分布,通过吸胶量、筋条厚度的检测,分析了树脂在筋条内的流动形式,研究了树脂流动的影响因素及影响规律。结果表明：筋条不同部位明显存在压力分布不均,在压力差作用下树脂发生明显的面内流动,易产生富脂、厚度不均等缺陷,导致筋条拐角较厚,约是突缘和腹板厚度的1.1~1.4倍,模具组合方案、曲率半径、填充料含量明显影响树脂面内流动和纤维密实程度。     

热压釜成型复合材料波纹梁工艺工时估算

成本估算是目前复合材料领域开发研究的关键问题之一,而工艺工时估算又是制造成本估算的核心。本文中建立复合材料制造工艺工时估算模型,以热压釜成型复合材料波纹梁为研究对象进行理论分析和实验研究,给出此估算模型中估算变量和方程参数的确定方法并应用最小二乘法将所得数据进行拟合,其结果与实验结果基本一致。介绍了估算模型中参数随制件曲度变化的修正方法,为实现不同结构设计的工时估算提供指导。     

A homogenization method for ductile‐brittle composite laminates at large deformations

This paper presents a high fidelity homogenization method for periodically layered composite structures that accounts for plasticity in the matrix material and quasi‐brittle damage in the reinforcing layers, combined with strong geometrical nonlinearities. A set of deliberately chosen internal kinematic variables results in a rigorous representation of the kinematics of the 2 constituents, which in turn allows for complex constitutive laws per constituent to be used directly in the formulation. The model accounts for hyper‐elastoplastic behavior in the matrix phase and hyper‐elastic behavior in the reinforcement as well as for the bending stiffness of the reinforcement layers. Additionally to previously proposed models, the present method includes Lemaitre‐type damage for the reinforcement, making it applicable to a wider range of engineering applications. The capability of the proposed method in representing the combined effect of plasticity, damage, and buckling at microlevel within a homogenized setting is demonstrated by means of direct comparisons to a reference discrete model.     

加气混凝土蒸压反应釜的设计改进

蒸压反应釜是建材工业中生产硅酸盐制品的关键设备,蒸压釜的腐蚀一直是困扰建材行业多年的难题。为解决蒸压釜的腐蚀问题,分析了腐蚀产生的原因,设计了几种不同的涂层进行试验,确定了电弧喷涂铝复合涂层效果最好,指出了涂层厚度范围和提高涂层致密性的方法。实践结果在江苏巨龙集团加气混凝土厂被证实。最后指出,采用电弧喷涂铝复合涂层的防腐方法可以防止反应釜的腐蚀,去掉腐蚀裕度,节约制造材料,延长反应釜的寿命,使反应釜的寿命和整个生产线的寿命一致。     

Effective behaviour of elastic heterogeneous thin structures at finite deformations

In this contribution the effective material behaviour of thin structures like membranes and plates consisting of heterogeneities is investigated. The diameter of typical inclusions can be in the order of magnitude of the thickness of the membrane or plate. Thus, the prerequisite for a standard homogenization procedure using representative volume elements is not fulfilled anymore, since the required size of an RVE would be larger than the thickness of the structure itself. Additionally the assumption of uniformity of the boundary conditions on the RVE would be violated especially for plates since in general the predominant deformation of such structures is bending. However, it can be shown that the effective behaviour of such heterogeneous thin structures subjected to finite deformations is still in good agreement to the results obtained for homogenized materials.