升温速率对复合材料修补片固化过程热应力的影响

采用有限元法数值模拟了3234/T300B热固性树脂基复合材料修补片的热补仪加热固化过程,分析了工程应用范围内不同升温速率下的复合材料修补片固化历程中的温度、热应力分布和变化特征,并研究了升温速率对补片在不同时间点的残余热应力值的影响规律。研究结果表明:升温阶段热应力主要集中在补片表面中心区域及其与母板接触的区域,降温阶段复合材料修补片内部热应力高于表面热应力;升温速率越快,固化越迅速,在升温阶段修补片内部热应力及峰值热应力越大;在保温和降温阶段,修补片内热应力分布和大小不受升温速率的影响;对于较低升温速率,热应力最大值出现在升温结束时刻;对于较高的升温速率,热应力最大值出现在接近升温末期的时刻。研究结果为合理选择升温速率从而减小升温阶段的内部热应力并控制补片分层等缺陷提供了参数依据。     

挖补角度对复合材料修补片固化过程温度和热应力的影响

利用有限元方法,数值模拟了不同挖补角度的树脂基复合材料修补片热固化过程中的温度场和热应力场,并分析了挖补角度对修补片的温度、固化度和热应力的影响。仿真计算结果表明:挖补角度越小,修补片中心点处的温度峰值越大,固化速率越快,热应力越大;挖补角度越小,修补片非中心点处的固化速率越快,热应力越小,且挖补角度对非中心点处的热应力影响较大。综合分析后可知,在一定挖补角度范围内,合理选择挖补角度,可控制修补材料内部热应力,并获得较好的复合材料修补质量。研究结果为实际修理提供了良好的数值依据。     

含裂纹金属板复合材料胶接修补结构残余热应力分析

残余热应力会增大裂纹尖端的应力强度因子SIF,加快疲劳裂纹扩展速率,缩短修补结构的疲劳寿命。利用三维有限元方法,对含裂纹金属板复合材料胶接修补结构中的残余热应力进行了分析,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了修复结构裂纹尖端的SIF。并以SIF为判据,讨论了补片铺层方向、固化温度、胶层的材料参数对修复结构残余热应力的影响。结果表明,[0°/45°/-45°/90°]s的铺层方式可有效降低残余热应力引起的SIF;残余热应力引起的SIF随着固化温度的升高而线性增加;胶层的材料参数及胶层厚度对残余热应力引起的SIF影响不显著。     

残余热应力对复合材料修理金属裂纹板影响分析

本文建立了复合材料胶接修理金属裂纹板的三板有限元模型;采用分析金属裂纹板裂纹尖端应力强度因子的方法,分析了残余热应力对复合材料修理金属裂纹板修理效果的影响。结果表明,残余热应力对单面修理结构的影响小于双面修理结构。残余热应力对单面修理结构的影响由于裂纹板宽度比值不同而不同。补片与母板的热膨胀系数相差越大,残余热应力对修补效果影响越大。     

UV固化复合材料快速修复金属损伤结构

UV固化不仅可以使复合材料快速固化,而且不需要高温,能避免残余热应力的产生,在应急抢修中比通常的热固化复合材料更具优势。本文采用UV固化的方法实现了损伤金属结构的快速修复,分析了复合材料补片的铺设层数、长度以及损伤结构表面处理对修复效果的影响。     

不同对流换热条件下复合材料层合板固化温度场与热应力分析

采用有限元方法,构建了3234/T300B复合材料层合板固化过程的物理模型以及数学模型。对不同对流换热条件下层合板固化时的温度场及热应力场进行了数值模拟。分析了不同对流换热系数对层合板固化阶段的热应力以及固化后残余热应力的影响。结果表明:上表面施加的对流换热系数越大,固化过程升温阶段层合板内部的热应力越小,固化残余热应力显著减小。当施加的对流换热系数由5 W/(m~2·K)增大到10 W/(m~2·K)时,温度和热应力的下降幅度最大。研究表明通过引入对流换热条件来减小固化过程升温阶段层合板热应力以及固化残余应力是可行的,也为优化热风枪固化方法提供了参数依据。     

复合材料挖补修理固化过程残余应力的三维数值模拟

基于热化学和残余应力理论,采用顺序热-力耦合方法建立了复合材料固化过程的三维有限元模型,通过与文献中C形构件计算结果的对比,验证了该仿真模型具有较高的精度。采用该模型计算了AS4/3501复合材料层合板挖补修理固化过程中模量和残余应力的变化历程。结果表明,凝胶点之前,树脂模量和复合材料横向模量很小,而平行于纤维方向存在残余压应力;凝胶点之后,模量均随时间快速增大到一定值,残余应力先逐渐增大到一定值,再随降温过程快速增大。     

碳/碳化硅复合材料刹车盘/片热应力场分析

采用有限元方法分析二维正交碳纤维增强碳化硅(C/SiC)复合材料制成的汽车刹车盘/片在刹车过程中引起的非线性热力耦合行为,主要研究在强制对流和热辐射作用下刹车结构的温度变化,讨论不同材料属性对刹车温度场的影响以及在温度场和膨胀系数耦合下C/SiC刹车盘/片中热应力和形变情况。数值结果表明:在双重散热条件下需要更多时间用于降温,而垂直于刹车面的热导率分量对温度传导或者降温影响较大;对于C/SiC刹车盘/片每一次刹车行为等效于一次热应力的加载和卸载,而每次产生的热应力可能突破C/SiC的极限弹性强度引起的残余塑性形变,而这种不断累积的残余效果继而引起C/SiC刹车盘/片失效。     

热塑性复合材料制件热残余应力产生原因及测试方法分析

纤维增强热塑性复合材料以其优异的综合性能被广泛用于大型民用飞机结构,但在复合材料成型过程中基体材料需要经历较高的工艺温度和降温速率;增强纤维和聚合物基体之间因热膨胀系数不匹配、铺层间各向异性和温度的梯度分布等因素将导致在基体中形成热残余应力,这将对所得热塑性复合材料构件的力学性能产生影响,需要在复合材料结构的设计和分析中加以考虑。为有效控制和降低复合材料制件中热残余应力,需要对其产生来源及发展机理进行分析。对热塑性复合材料中热残余应力的形成原因从三个不同层次进行讨论,并分析热塑性复合材料在成型过程中残余应力水平的控制方法,最后对热残余应力的测试方法进行研究,评价了各测试方法的优缺点。     

碳纳米管薄膜电加热固化复合材料胶接修补金属结构研究

近年来,复合材料胶接修补技术被广泛应用于金属损伤结构,但传统补片固化工艺有着成本高、能耗大及成型时间长等问题。针对该问题,本文提出将碳纳米管薄膜作为加热元件与复合材料预浸料补片进行集成,通过电加热固化达到修补损伤结构的目的。进行了试验研究,分别采用碳纳米管薄膜电加热和传统烘箱加热的方法固化复合材料补片修补含裂纹铝合金板,对比不同固化方法下所需能耗和成型时间,并进行力学性能测试,评估胶接修补的效果。结果表明:碳纳米管薄膜电加热固化技术是一种节能高效的方法,可以显著降低能耗和材料成型时间;同时碳纳米管薄膜电加热固化修补的试件承载力与烘箱固化修补的试件基本一致,可以达到预期的修补效果,为金属结构低能耗、低成本胶接修补技术提供了一种新的思路。     

工装材料和厚度对复合材料热成型性能的影响

不同材料的复合材料金属成型工装具有不同的热特征,热特征影响预浸料固化过程中升降温速率,影响到树脂流动和产品性能。生产高性能的复合材料产品,需要选择和设计升降温曲线接近于材料固化曲线的工装材料和相应厚度的随炉试片工装。文中测试的Invar钢和Q235钢两种材质工装固化曲线,包括Invar工装型面和工装内部、不同厚度随炉试片工装、Q235钢工装温度和升降温速率表征等。不同热量传递方式和低导热率导致了Invar工装的内部温度响应滞后于型面温度响应。作为表征产品性能的随炉试片工装,需要选择与产品工装温度特性匹配的工装作为随炉试片工装。Q235钢的导热率高,工装有较快的温度响应,型面温度均匀。     

环氧复合材料用微波固化技术及其展望

本文综述了近年来环氧复合材料微波固化的研究进展及应用现状,重点讨论了微波固化对环氧树脂及其复合材料固化体系的固化速率、固化物力学性能和热性能等的影响,并对环氧树脂复合材料微波固化的研究应用进行了展望。     

固化降温速率对环氧复合材料性能的影响

通过重点关注氧化铝(Al2O3)填充环氧树脂(EP)的固化冷却过程,并通过内应力在线监测分析了不同降温速率下EP体系的残余应力,系统研究了不同降温速率对EP体系力学性能的影响.结果 表明,选择合适的降温速率对提高EP制品质量有重要意义.     

厚截面复合材料结构固化残余应力研究进展

随着复合材料在飞机机架主承力构件的广泛应用,厚截面复合材料构件固化过程残余应力的预测和控制是必须解决的关键问题之一。厚截面复合材料的残余应力形成机制远较薄板复杂,更易发生温度过热、紧密压实不完全、非同步固化,固化残余应力大等问题。并且厚板在固化过程中形成的残余应力难以释放,降低复合材料结构的承载能力和使用寿命。采用数值模拟复合材料固化过程,优化固化工艺是是降低厚截面复合材料结构生产成本的有效方法。从热传导与化学反应、紧密压实和残余应力3个方面回顾了厚截面复合材料固化过程数值模拟的研究进展,对下一步的研究方向进行了展望。     

纤维增强热固性复合材料构件的固化变形研究进展

热固性复合材料的固化是一个热性能、化学性能和力学性能同时发生变化的复杂过程,也是固化变形和残余应力产生的过程。引起复合材料变形的因素主要包括构件的结构形式、树脂含量、铺层方式、基体树脂的特性、固化工艺参数及模具因素等。其中,复合材料固化过程中树脂的热收缩、化学收缩以及模具材料与复合材料间热膨胀系数的差异是引起复合材料发生固化变形的根本原因。     

连续玻纤增强HDPE复合材料的结晶动力学

采用差示扫描量热(DSC)法分析了不同降温速率下高密度聚乙烯(HDPE)和连续玻纤(GF)增强HDPE复合材料的非等温结晶和熔融行为。使用莫志深法对HDPE和HDPE/GF复合材料的非等温结晶动力学进行研究,得出莫氏方程可以描述其非等温结晶动力学过程。并且采用偏光显微镜(POM)观察结晶形态。结果显示:降温速率越大,聚合物结晶峰越宽、聚合物开始结晶时的温度越低、结晶峰温度越低。GF起到异相成核的作用,使得HDPE/GF复合材料的成核速率高于纯HDPE,但由于纤维对晶体生长具有一定的阻碍作用,使其结晶焓较低。通过熔融曲线分析发现,降温速率和GF的加入对HDPE及HDPE/GF复合材料熔融温度和熔融峰温度的影响并不显著。采用莫志深法的研究结果与由动力学参数得出的结论相一致,HDPE/GF复合材料比HDPE更易结晶。POM等温结晶观察结果表明,HDPE/GF复合材料比HDPE的结晶速率更快,这与DSC和莫志深方程结果一致。     

环氧复合材料微波扫描修补工艺及力学性能研究

微波加热具有加热速度快、加热均匀等优点,将微波固化技术应用于复合材料的修补,具有巨大的发展前景。针对E51/DDM体系玻璃纤维复合材料的微波扫描快速修补,通过扫描设备对预制缺陷复合材料层合板进行修补,研究了微波扫描修补工艺及修补后试样的力学性能。研究结果表明,300mA输入直流电流所对应的固化工艺具有较高的固化效率,同时固化制品具有良好的力学性能,最终确定此工艺为微波扫描修补工艺;当修补试样未加覆盖外层时,修补后试样的拉伸性能保持率较高,弯曲性能保持率较低,拉伸强度及模量保持率分别为89%和92.7%,修补面加载与背面加载的弯曲强度保持率分别为74.9%和77.5%;添加覆盖外层后,修补试样的拉伸及弯曲性能均得到提高,拉伸强度及模量保持率分别提高为98.7%和95.4%,修补面加载与背面加载的弯曲强度保持率分别提高为96%和94.4%;与热固化修补相比,微波扫描修补能节省70%左右的修补时间,具有更高的修补效率。     

VARI成型V型构件固化变形和影响因素分析

复合材料在成型过程中会伴随着复杂的热化学和物理变化,此现象会导致复合材料内部的残余应力积累并进一步使复合材料在脱模后产生固化变形。采用顺序耦合热应力的方法建立了预测复合材料固化变形的三维有限元模型,对真空辅助成型(VARI)的复合材料V型构件的固化变形进行了数值模拟和试验验证,并进一步分析了固化温度、对流换热系数、构件厚度等因素对复合材料V型构件的影响。模拟结果表明,复合材料V型构件的回弹角会随着固化温度和对流换热系数的升高而增大,随着构件的厚度增加而减小。固化温度从150℃升高至190℃,回弹角增加了72%;对流换热系数从1 W/(m2 K)升高至100 W/(m2 K),回弹角增加了15%;构件厚度从2.4 mm增加至4.8 mm,回弹角减小了43%。     

基于材料物性参数时变特性的复合材料层合板固化残余应变应力数值模拟

热固性树脂基复合材料层合板成型过程形成的残余应力是影响材料质量的重要因素。针对复合材料固化过程建立了基于复合材料物性参数时变特性的复合材料固化过程的三维多场耦合计算模型。该模型包含经典的热-化学模型、树脂固化动力学模型、残余应力模型;在此基础上将材料物性参数时变特性引入多场耦合计算模型中,模型计算结果通过与文献中实验结果比较,验证所建立的固化模型的可靠性;在此基础上,对AS4/3501-6复合材料层合板的固化残余应变应力进行数值模拟,研究了固化过程中残余应变/应力的变化规律,分析工艺参数对应力应变的影响。通过与光纤光栅应变试验比较,验证其正确性。研究结果表明:模型可以很好地仿真复合材料固化过程;温度、树脂体积分数、铺层角度对层合板应力/应变都有较为显著的影响,为正相关关系,其中树脂的体积分数影响最为显著。     

PA6/硫酸钙晶须复合材料的非等温结晶动力学研究

采用差示扫描量热(DSC)法研究了PA6/硫酸钙晶须复合材料的非等温结晶行为,通过Jeziorny法分析并计算得到复合材料非等温结晶过程的相关参数。结果表明,硫酸钙晶须的加入改变了PA6复合材料的非等温结晶行为,少量硫酸钙晶须(10%)的加入促进了PA6复合材料的结晶。复合材料的结晶分为初期结晶和二次结晶两个阶段,降温速率越大,结晶温度越低,结晶温度范围和结晶速度均增大。Jeziorny法能较好地描述复合材料的初期非等温结晶过程。