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。     

穿孔泡沫夹芯复合材料灌注工艺仿真与方案优选

以穿孔泡沫夹芯复合材料为研究对象,对其真空辅助树脂灌注(VARI)工艺进行了实验研究、仿真分析和方案优选。首先,通过实验测试与数值计算分别得到穿孔夹芯结构织物与芯材孔洞的渗透率;然后,对穿孔夹芯结构灌注过程进行三维仿真模拟,并通过实尺度灌注实验验证了仿真模拟的可靠性;最后,基于验证的仿真模型进行工艺参数优选,拟合得到了灌注时间的预测模型。结果表明：数值仿真与实验值基本吻合,能较准确地模拟穿孔夹芯结构成型时的流动过程和孔隙分布;灌注时间的预测模型可用于指导实际生产;通过优化成型工艺参数可控制树脂的流动行为,达到缩短成型时间和降低构件孔隙率的目的。     

嵌入加强筋的缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及验证

在缝合泡沫夹芯结构复合材料的泡沫中嵌入轻质的加强筋板,可以在不增加缝合密度并且在只增加较少质量的前提下,增强复合材料制品整体的强度和刚性。文中对真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺树脂在嵌入加强筋的缝合泡沫夹芯结构复合材料预成型体中充填过程进行模拟和验证研究。采用一种矩形流道模型代替沿加强筋与泡沫空隙间的树脂流动,并对其等效渗透率及孔隙率进行计算;通过PAM-RTM软件模拟了嵌入加强筋板的缝合泡沫夹芯结构VARTM工艺的树脂充填过程,并建立了流动可视化实验装置与模拟对比,结果表明模拟与实验相当吻合。而模拟与实验的结果均表明加强筋的引入可以在局部加强树脂沿厚度方向的流动,但是会延缓树脂对整个预成型体的充填。     

缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及验证

采用"长条"模型代替泡沫中沿缝线方向树脂流动模型并对其等效渗透率及孔隙率进行计算;然后用PAM-RTM软件对缝合泡沫夹芯结构真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺树脂充填过程进行数值模拟,最后建立了流动可视化实验装置对模拟结果进行实验验证。对比模拟与实验结果表明,模拟与实验完成整个充填过程的时间非常接近,并且树脂在预成型体中流动方式及在预成型体上、下面板流动状态的数值模拟与实验结果也非常地一致。故建立的"长条"模型及其相关参数的计算是合理的,可以用来准确地预测缝合泡沫夹芯结构VARTM工艺树脂充填过程。另外,树脂在上面板流动前沿在沿宽度方向较为统一,而树脂在下面板流动前沿呈现锯齿状,容易产生空隙及干斑等缺陷,影响制品的质量。     

泡沫夹芯结构复合材料VARI工艺模拟仿真技术研究

采用模拟仿真软件对聚氯乙烯泡沫夹芯结构复合材料矩形平板成型工艺进行了模拟分析.考察了芯材厚度、芯材的开槽方式及开槽尺寸等对树脂充模过程的影响,确定了适于工程应用的开槽方式及尺寸.     

基于均匀化的缝合夹芯复合材料建模方法研究

针对缝合式夹芯复合材料结构动力学建模问题开展研究,通过对复合材料代表性单元中上下面板、芯层分别施加周期性位移边界条件,根据应力平均获得相应的等效弹性参数,将夹芯结构等效为3层均质的正交各向异性层合板模型。将根据所提方法建立的层合板模型频率计算结果与精细化模型、单层板模型计算结果进行对比,验证了基于均匀化方法的缝合式夹芯复合材料动态建模精度。基于该建模方法,进一步研究缝合密度对宏观弹性参数的影响。结果表明,缝合密度对夹芯复合材料面内等效性能影响较小;随着缝合密度的增大,厚度方向等效弹性模量显著提高。     

缝纫泡沫夹芯复合材料细观纤维柱破坏行为

缝纫泡沫夹芯复合材料中的纤维柱在拔出过程中的破坏行为复杂导致结构承载性能难以预测。采用真空辅助树脂注射(VARI)工艺制备了缝纫泡沫夹芯复合材料,并使用层间拉伸试验(ITT)研究了缝纫泡沫夹芯复合材料中含有单根缝线纤维柱细观试件的破坏过程。讨论了不同破坏现象对缝线纤维柱拔出摩擦过程的影响,并分析了缝纫泡沫夹芯复合材料的破坏模式。分析了缝线粗细的变化对试件破坏过程中关键的力、位移等参数及能量吸收性能的影响。研究了由于成型工艺所导致的缺胶现象对缝纫泡沫夹芯复合材料性能的影响。结果表明:缝纫泡沫夹芯复合材料的能量吸收性能、关键位移参数及最大载荷都随着缝线变粗而增大。但是缝纫泡沫夹芯复合材料的破坏模式对其也有一定的影响,导致了变化趋势的波动;缺胶缝纫泡沫夹芯复合材料由于缺陷的存在,最大破坏载荷和能量吸收性能均有所下降。     

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.     

典型曲面构件的VARI工艺模拟分析及实验验证

对典型曲面构件进行了真空辅助成型工艺(VARI)工艺模拟分析,确定了最佳的注射方式及注胶口、出胶口位置,得出了VARI工艺流道设计的几个主要准则,并运用模拟结果开展了可视化实验研究,得到了无缺陷的构件制品。对预成型体铺放过程中剪切变形引起的局部渗透率变化及其对工艺过程的影响进行了研究,研究表明,通过PAM-RTM软件可以计算剪切引起的局部渗透率变化,考虑局部渗透率变化的模拟结果和实验结果较为一致。     

结构参数对树脂基纤维编织复合材料折叠夹芯结构力学性能的影响

折叠夹芯结构是一种新型的复合材料夹芯结构,其结构参数对力学性能有重要的影响。文中以碳纤维和Kevlar平纹编织预浸料为芯材原料,采用热压工艺,制备了复合材料折叠夹芯结构试样。通过压缩试验得到不同条件下折叠夹芯结构在静态压缩载荷作用下的力-位移变化曲线。构建了复合材料折叠夹芯结构有限元模型,对不同结构参数复合材料折叠夹芯的力学性能进行了数值模拟分析,并将模拟结果与实验结果进行对比验证了模型的可靠性。实验及数值模拟的分析结果表明,随着芯材厚度的增加,折叠夹芯层的压缩强度呈线性增加,其破坏形式由假塑性变形逐渐向脆性破坏转化;面板对夹芯层的约束作用能够极大地提高压缩模量和强度,而且上下面板对压缩性能曲线有着不同的影响;折叠夹芯单元的高度、长度、折叠夹角等参数对其力学性能具有不同程度的影响。     

复合材料褶皱夹芯结构的制备及压缩性能研究

目的 探究复合材料褶皱芯子的一次性成型工艺,并研究浸胶量对褶皱夹芯结构压缩性能的影响。方法 以V型褶皱夹芯结构为研究对象,首先采用真空吸附成型工艺制备V型复合材料褶皱芯子,然后通过黏接工艺将碳纤维复合材料层合板与褶皱芯子进行复合,得到复合材料褶皱夹芯结构,最后通过实验测试,研究该结构在压缩载荷作用下的力学性能和失效模式,以及不同浸胶量对其压缩性能的影响。结果 采用真空吸附成型工艺能够一次性制备出褶皱芯子,其成型精度有待提高;由压缩实验可知,褶皱夹芯结构先从壁面开始失效,后逐步扩散至棱线处,最终导致芯子的整体失效;由压缩实验测试结果可知,浸胶量(质量分数)为11%、17%、22%的褶皱夹芯结构的破坏载荷分别为362.853、420.521、471.389 N。结论 采用真空吸附成型工艺可一次性成型出褶皱芯子,其制备效率较高,但存在成型尺寸精度不高问题,后续需要进一步改进;在一定范围内,复合材料褶皱夹芯结构的压缩破坏载荷与芯子的浸胶量近似成正比例线性关系。     

大厚度复合材料曲面典型构件的工艺优化

大厚度复合材料的数值仿真存在缺乏实尺度验证、数值模型待优化等问题。本文针对真空辅助树脂传递模塑成型的大厚度复合材料曲面构件,通过大型风电叶片主梁的工艺仿真与实尺度实验验证,进行了工艺设计与工艺参数模型预测。首先对比研究了不同的工艺仿真方案;然后利用所选优化方案对树脂灌注方案进行工艺设计,并进行了实验验证;最后,提出了不同厚度制件的工艺参数预测模型。结果表明:所选优化方案可同时得到理想的计算效率和流动模拟结果;所设计工艺方案与实验吻合性良好;工艺参数预测模型所得结果与模拟结果基本一致。      

复合材料基镂空网壳结构的建模与仿真

为进一步挖掘复合材料构件的轻量化和成型形态等结构特性,提出了突破传统满铺结构的曲面镂空等厚度网壳构件的数学模型,并对其成型表面的形态和效果进行了实验验证.运用三维空间曲面映射法建立笛卡尔参数坐标系,在单位球面上建立并推导了网壳构件曲面测地线弧及测地线交角的高斯第I基本型模型,利用MATLAB对该模型的正交编织算例进行了仿真和构型验证.结果表明:除仿真构件边缘平齐一致性不足外,该仿真构型与预期结果构型轮廓相符.为进一步验证该模型用于实际生产制造的可行性,采用预浸纤维复合材料带为基材,经编织、固化生产出该模型的5×5网壳结构成品试件.该研究为复合材料壳体超轻化且低成本结构成型提供了新思路,可为网壳类结构制件的支撑筋/骨架设计提供建模新方法.     

复合芯材夹芯结构成型工艺研究

为了改善复合材料夹芯结构中芯材与面板界面结合强度,研制了一种新型夹芯结构,即复合材料柱/泡沫塑料复合芯材夹芯结构.该结构中用过渡层取代胶结层,使芯材和面板为一体,芯材由泡沫塑料和柱结构组成,其中柱结构是与面板同材质的纤维增强复合材料.通过该夹芯结构的芯材结构设计、加工工具的设计、加工工艺设计,使增强材料在法向上植入芯材中,并与上下面板的增强材料连通.由于在同一个工艺过程中固化成型,构成一个整体,没有界面,从根本上改善了面板与芯材之间粘接性能薄弱问题.试验结果表明,该结构具有较高的抗层间剪切、抗平压、抗剥离及抗疲劳性能.     

多层次等效的Mori-Tanaka法预测含空腔点阵增强芯层的等效弹性模量

提出了兼具力学和声学性能的夹层吸声复合材料-含空腔点阵增强夹芯结构;为了预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量,建立了包含空腔、点阵增强柱和泡沫基体的三相复合材料的细观力学多层次等效数理模型,结合点阵增强柱和空腔周期性分布的特点建立代表性体积单元,利用Mori-Tanaka方法进行两次单相夹杂等效处理,获取了含空腔点阵增强芯层等效弹性模量的解析解,与试验数据和细观力学有限元法结果对比均吻合较好。采用有限元软件ANSYS建立了含空腔点阵增强夹芯结构的实际模型和等效模型,并将芯层等效模量解析结果作为等效模型芯层的材料参数,计算弯曲变形和固有频率并进行对比分析,弯曲变形位移和中低频固有频率的相对误差不超过2%,满足工程精度要求。进一步利用该等效方法,分别探讨了点阵增强柱和空腔体积比对芯层等效弹性模量的影响规律。结果表明,上述方法能较准确地预测含空腔点阵增强结构芯层的等效弹性模量,且数理模型清晰,公式简单,计算快速。     

ICVI 法制备C/ SiC 复合材料构件的数值模拟

根据C/ SiC 复合材料的结构特点及等温化学气相浸渗法的工艺特点, 建立了C/ SiC 复合材料ICVI 致密化过程的数学模型, 并将该模型应用于C/ SiC 复合材料构件制备过程的数值模拟中。利用有限单元法, 对航空发动机用C/ SiC 复合材料小喉衬的ICVI 致密化行为进行了数值计算和分析。为了验证计算结果, 设计并进行了相应的对比实验, 对致密化后的喉衬构件进行了密度测量和CT 断层扫描无损检测。实验结果与模拟结果呈现出相同的变化规律并且两者之间偏差较小, 表明本文作者所建立的模型可以很好地描述C/ SiC 复合材料的ICVI 过程。利用该数学模型, 计算了ICVI 过程中喉衬构件的密度分布及其演变规律, 为ICVI 法制备C/ SiC 复合材料构件的进一步研究打下基础, 对ICVI 工艺的优化具有一定的指导意义。      

具有短纤维增韧界面的复合材料夹芯梁断裂机制的实验和数值研究

对界面含短纤维的复合材料夹芯梁增韧特性进行了实验和数值研究。采用真空辅助树脂注射工艺制成复合材料夹芯梁, 并测定了含增强与未增强复合材料夹芯梁的界面断裂韧性。基于单根短纤维在界面裂纹扩展时其剥离和拔出过程产生的能量耗散, 建立了相应的细观模型。然后, 假设短纤维在界面内随机均匀分布, 得到在单位面积下短纤维能量耗散的宏观表达式。在宏观尺度上, 建立了用于界面裂纹扩展分析的双悬臂梁有限元模型, 通过引入非线性弹簧单元, 以反映界面短纤维所产生的桥联特征, 并采用虚裂纹闭合技术计算了裂纹尖端的能量释放率。通过典型复合材料夹芯梁断裂分析和参数讨论, 证实了本文中提出的随机分布细观模型预测短纤维耗散能量的有效性。实验及数值结果表明, 在复合材料夹芯结构界面中引入短纤维将是一种提高其界面断裂韧性的有效措施。      

真空辅助树脂灌注工艺成型泡沫夹芯结构工艺设计与控制

采用无屈曲织物(NCF)、 CYCOM^® 890 RTM树脂体系和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫以及真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)成型泡沫夹芯复合材料平板, 结合力学性能测试和微观结构分析等手段研究了成型过程中抽胶对夹芯板界面质量以及纤维体积分数的影响, 分析产生的缺陷类型及原因, 优化了工艺参数。结果表明: 抽胶有利于提高泡沫夹芯板的纤维体积分数和力学性能, 在100～120 ℃温度范围内进行30 min的抽胶, 工艺稳定, 层间剪切强度和弯曲强度显著提高。     

真空辅助树脂灌注工艺成型泡沫夹芯结构工艺设计与控制

采用无屈曲织物(NCF)、CYCOM(R) 890 RTM树脂体系和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫以及真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)成型泡沫夹芯复合材料平板,结合力学性能测试和微观结构分析等手段研究了成型过程中抽胶对夹芯板界面质量以及纤维体积分数的影响,分析产生的缺陷类型及原因,优化了工艺参数.结果表明:抽胶有利于提高泡沫夹芯板的纤维体积分数和力学性能,在100～120℃温度范围内进行30 min的抽胶,工艺稳定,层间剪切强度和弯曲强度显著提高.     

沟槽型真空注射成型工艺的研究

真空注射成型工艺是一种新型的复合材料液体模塑成型工艺,对沟槽型真空注射成型工艺开展了实验研究,通过充模实验确定了引流槽的宽度、深度和槽间距及主槽的槽间距等工艺参数并进行了优化;对影响充模过程的各种因素进行了详细的讨论,并以夹芯面板的制作实例阐述了沟槽型真空注射成型的工艺过程。