基于Morris方法的纤维复合材料结构件固化均匀性的全局灵敏度分析

纤维增强树脂基复合材料结构件的残余应力问题是制约其在航空航天、汽车和建筑领域大规模应用的关键问题。复合材料固化过程中温度场和固化度场的非均匀性是引起残余热应力和固化收缩应力的重要因素。为了探讨纤维复合材料结构件在固化成型过程中固化工艺温度、热传导系数、对流换热系数及结构件厚度对固化均匀性的敏感程度,采用数值模拟分析了这4个关键参数对温度场和固化度场均匀性的影响规律。模拟结果表明:升高固化工艺温度,复合材料温度场的非均匀性增大,固化度场的非均匀性减小;增大对流换热系数和热传导系数,复合材料温度场和固化度场的非均匀性减小;增加复合材料结构件的厚度,复合材料温度场和固化度场的非均匀性增大。在此基础上,应用Morris全局灵敏度分析方法对4个关键参数对复合材料固化均匀性的影响程度进行定量分析,得到固化均匀性的影响因素按灵敏程度由大到小的顺序为:结构件厚度、热传导系数、固化工艺温度、对流换热系数。     

基于因次分析方法的树脂基复合材料等温固化均匀性分析

在复合材料固化过程中,固化度场的非均匀性是引起残余热应力和固化收缩应力的重要因素。为了探讨树脂基复合材料结构件固化成型过程中的工艺参数对固化均匀性的影响,首先针对Epon862/W环氧树脂体系建立了复合材料固化仿真模型,并对模型进行了验证;然后,通过因次分析得出了树脂基复合材料结构件的热传递方程和固化动力学方程的无因次形式;最后,通过数值模拟定量分析了固化工艺温度、对流换热系数和结构件厚度对复合材料固化均匀性的影响规律。结果表明:在等温固化条件下,对流换热系数对复合材料固化均匀性的影响很小,无因次式特征时间t_c/树脂固化反应特征时间t_R与固化度差值间存在拟合函数关系,该函数可以方便地用于工程计算。      

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.     

新型耐370℃聚酰亚胺复合材料固化工艺与性能研究

对新型耐370℃聚酰亚胺树脂的化学反应特性、流变性能进行了测试分析,着重研究了加压时机和后固化工艺参数对复合材料性能的影响,并在试验基础上制定了复合材料的固化工艺和后固化工艺.试验结果表明,复合材料的成型时选择280～300℃施加压力,有利于低孔隙率高质量,选择400℃和6h的后固化工艺参数较合理.树脂的最低黏度为10...     

工装模具对复合材料件固化变形影响的有限元分析

碳纤维增强树脂基复合材料整体化成型过程中,成型工装与复合材料构件之间的热不匹配、框架式工装变形及温度分布都会对复合材料构件的固化变形造成一定的不利影响。本文利用ABAQUS有限元分析软件,从工装结构形式和模具材质的角度分析了工装结构对U形复合材料件固化变形的影响。对于企业中广泛使用的3种成型工装结构(斜撑式、立柱式、侧板式),立柱式成型工装在加热固化过程中,温度分布更均匀,使复合材料件的固化变形更小;而在模具的材质(普通碳钢、Invar钢、复合材料)方面,复合材料模具由于热膨胀系数与U形结构件更接近,相对于其他材质的模具,对复合材料件的固化变形影响较小。     

复合材料T型整体化结构固化翘曲变形模拟

针对复合材料T型整体化结构固化成型的工艺过程,分析了结构经固化而导致翘曲变形的原因;建立了整体化结构翘曲变形预测的理论模型及分析方法; 运用有限单元法计算了T型结构件的内部温度和固化度的分布,以及由于内部化学反应放热、固化引起的体积收缩和材料各个方向热膨胀系数的不一致而导致的结构翘曲变形量,同时考虑了树脂在固化过程中材料参数随着固化度的变化而变化;并研究了翘曲变形与T型结构件尺寸之间的关系。研究表明,选择合适的角材高度、宽度以及倒角半径可以有效地降低结构的翘曲变形。     

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.     

基于温度曲线优化的复合材料热压罐固化时间与固化质量协同控制

温度曲线是复合材料热压罐成型的重要工艺参数,对成型时间和构件的固化质量有着直接影响.对温度曲线进行合理的优化设计,可以实现对固化时间与固化质量的协同控制.本工作基于复合材料固化成型模拟计算方法,针对复合材料C形构件开展固化成型的数值预测,预测结果与实验测试结果吻合较好,验证了计算方法的合理性;在此基础上,考虑成型时间与固化质量的协同控制,采用实验设计(DOE)与粒子群算法集成的优化策略开展复合材料C形构件的固化温度曲线优化设计,并对优化结果进行实验验证.结果显示通过温度曲线优化设计,在满足固化均匀性、固化程度与固化变形约束的同时,可以有效减少成型时间,两个优化算例的成型时间分别减少了64％和45％.     

复合材料热膨胀模塑工艺简介

热膨胀模塑法是七十年代中期发展起来的复合材料固化成型新方法。在国外,用此法成型的复合材料结构件已经应用于飞机上。 热膨胀模塑法的基本原理是,以热膨胀材料为芯模.刚体材料为阴模,当模具受热后,芯模地体积膨胀受阴模的限制,其膨胀力变为对模壁的压力,从而实现对复合材料固化成型过程的施压。     

纤维缠绕复合材料壳体原位成型工艺研究

热固型缠绕复合材料壳体以其优异的性能在航空、军事和工业等领域得到了广泛应用.目前,制约其应用和发展的主要瓶颈是壳体的成本和性能,而壳体成型工艺直接决定了其最终性能和成本.由于缠绕壳体为中空结构,因此可以采用加热壳体内部金属芯模或内衬的方法实现缠绕后的或正在缠绕的复合材料的固化成型,即原位成型.本文介绍复合材料壳体原位成型新工艺,建立筒型壳体内加热固化过程的数学模型,利用有限元法对筒体固化过程中的温度和固化度进行了数值模拟分析.该研究为实现壳体高效、优质且低成本成型提供新思路,为原位成型工艺设计、模拟和参数优化提供分析模型和方法.     

单根光纤光栅监测复合材料固化工艺过程多目标参量技术的研究

采用单根布拉格光纤光栅传感器实现了对复合材料工艺过程不同阶段、不同目标的监测。在成型阶段监测树脂的温度(粘度)发展历程；在施加成型压力时监测树脂内部压力的变化；在固化与降温阶段监测复合材料层板内部的应力变化。试验结果表明，利用-根布拉格光纤光栅传感器同时实现对复合材料固化工艺全过程的主要控制参量的监测是完全可行的。     

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。     

快速固化环氧树脂及其碳纤维/环氧复合材料性能

采用双酚A型环氧树脂（DGEBA）、改性咪唑（MIM）及改性脂肪胺（MAA）研制快速固化树脂体系。分别利用DSC和流变仪测试了树脂体系的固化特性与流变行为,优选了树脂配方。采用真空辅助树脂灌注工艺（VARIM）制备了快速成型的碳纤维/环氧复合材料层板,考察了层板的成型质量和力学性能,并与常规固化的层板性能进行了对比。结果表明：采用优选的树脂配方,120 ℃下树脂在5 min内固化度达95%,碳纤维/环氧复合材料层板成型固化时间可控制在13 min以内,固化度达95%以上,并且没有明显缺陷;与常规固化相比（固化时间大于2 h）,快速固化碳纤维/环氧复合材料层板的弯曲性能和耐热性能降低幅度较小。     

自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为

针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放（AFP）罐外固化（OOA）预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。     

先进格栅增强复合材料结构在软模共固化成型过程中工艺参数研究

先进格栅增强复合材料结构(AGS)软模共固化工艺成型过程是一个包括固化度、温度和应力场等相互耦合作用的复杂历程,工艺参数的选择将直接影响AGS产品的性能.该文以一简单正交AGS板为例,采用有限元分析方法对其软模共固化成型工艺过程进行数值仿真,讨论了工艺间隙、工艺环境和固化制度等对成型工艺过程中预浸料内部固化度,温度和应...     

纤维复合材料预制件渗透率及其结构相关性的研究进展

纤维复合材料预制件的渗透率是影响液体模塑成型过程中树脂流动的一个重要参数,由于它与预制件多层次结构的复杂相关性而使得渗透率的预测一直面临着挑战。本文从预制件的微观、细观及宏观层次分别介绍了渗透率与其结构相关性的研究进展,综述了预制件渗透率的数学模型及其影响因素,展望了渗透率研究的发展趋势,这将有助于揭示复合材料结构件的缺陷形成机理,进而优化设计复合材料结构件及其成型工艺。     

树脂基复合材料曲面结构件固化变形数值模拟

为了研究树脂基复合材料曲面结构件的固化变形过程,首先分析了碳纤维增强树脂基复合材料在固化过程中密度、模量、热膨胀系数、比热容及热传导系数等材料物性的变化,并将这些变化引入到数值模拟当中。接着,针对复合材料复杂曲面结构件,提出了利用定常流动的流线方程构建曲线坐标系的新方法。然后,根据建立的曲线坐标系,运用有限元法计算了某轻型飞机机翼上蒙皮板在固化过程中内部温度、固化度和内应力的分布情况以及材料物性随固化度的变化情况。最后,计算了由于内部温度场和固化度场的不均匀、热膨胀系数的各向异性和固化引起的树脂体积收缩而导致的结构变形。结果表明:引入材料物性变化使固化过程的数值模拟更加合理、模拟结果更加精确,利用定常流动的流线方程构建的曲线坐标系适用于复合材料曲面结构件的有限元分析。所得结论对研究树脂基复合材料的固化变形过程和各向异性复合材料复杂曲面构件的三维实体建模均具有指导意义。     

光纤布拉格光栅监测CF3052/5224复合材料成型过程研究

温度与应变是监测复合材料热压罐固化成型工艺两个最重要的表征参数,利用光纤布拉格光栅传感原理,采用毛细钢管封装的方法,制备了完全屏蔽应变信号的温度传感器,将温度传感器和应变传感器同时埋植在复合材料内部,实现了对热压罐成型全过程的实时监测,获得了复合材料成型过程中的内部温度和应变信息.对复合材料平板件和T型加筋板三角填充区域进行的温度监测结果表明,复合材料内部温度变化较罐内温度有一定滞后,传统成型工艺控制给出的加压点偏早,可能引起复合材料贫胶等缺陷.应变监测结果表明,平板件内部的应变变化主要反应树脂固化过程中的物理化学变化,在T型加筋板三角填充区域,应变监测在自然冷却阶段出现了不同于平板件的应变"回弹"现象,一定程度上反映出该区域在成型过程中容易出现缺陷的原因.     

基于压电传感器的树脂基复合材料固化过程监测

复合材料固化成型工艺是影响树脂基复合材料结构性能的关键之一,因此需要针对其固化过程进行有效在线监测。本文基于压电传感器提出一种超声导波技术和机电阻抗技术相结合的树脂基复合材料固化过程监测方法,研究了超声导波能量与固化时间的关系及机电阻抗共振峰随固化时间的变化规律。研究表明,固化过程中树脂基复合材料结构的超声导波信号幅值和机电阻抗信号共振峰频率均出现先减小后增大并逐渐平稳的趋势,可以体现树脂基复合材料固化过程中的一系列变化。以监测单向碳纤维(T300)/热固性环氧树脂预浸料固化为例,验证压电传感器对复合材料固化的监测方法。T300/热固性环氧树脂复合材料在真空袋压、固化温度为120℃条件下,20 min为凝胶时间点,65 min为固化完成时间点。本研究基于压电固化过程在线监测方法为树脂基复合材料成型工艺的设计和优化提供了基础数据和技术支撑。      

基于折射率变化的固化在线监测研究

先进复合材料的固化成型工艺十分复杂,目前在很大程度上仍依赖于经验工艺。为了实现复合材料固化工艺的透明化、科学化及智能化,提出了将光纤折射率传感器用于复合材料制造过程,研制了一种折射率光纤传感器,同时将光源、探测器、信号处理器等元器件集成化为一个便携式的光纤传感仪以利于生产现场使用。利用该传感器对常温固化树脂的固化过程进行了测量,将其与同等条件下迈克尔逊干涉仪对固化过程的监测结果进行了比较,二者具有良好的一致性。在实验室与生产现场两种条件下将光纤折射率传感器埋设于预浸料中对其固化工艺过程进行了监测。结果表明,该技术不仅可以用于新型树脂固化工艺制度的确定,也可用于复合材料固化工艺过程的在线监测。