模具对柱面复合材料构件固化变形影响的有限元分析

针对复合材料构件固化变形问题, 分析了复合材料热压罐成型固化过程的多场耦合关系, 考虑模具的作用, 建立了柱面复合材料构件固化过程的有限元分析模型。基于此模型, 研究了模具材料、 模具厚度和模具形式对柱面复合材料构件固化变形的影响。结果表明: 模具对柱面件固化变形的影响较大, 模具材料与构件材料热膨胀系数(CTE)不匹配程度影响构件回弹角的大小; 模具的厚度不同, 导致构件的不同回弹角; 采用阴模时, 构件回弹角小于阳模的, 且回弹方向相反。     

模具对复合材料构件固化变形的影响分析

通过光纤光栅的方法实验研究了在热压罐成型工艺过程中, 复合材料构件由金属固化模具与复合材料构件热不匹配导致的沿厚度方向和面内的固化残余应力发展, 得到了固化后残余应力沿构件厚度方向和面内的分布情况, 并分析了该残余应力分布的产生机制以及对构件固化后变形的影响。结果表明: 复合材料与模具之间的热不匹配导致的固化残余应变沿构件厚度方向呈梯度分布, 靠近模具端大于远离模具端, 并且该应变会引起构件固化后的翘曲变形, 变形以沿纤维方向为主。     

模具对复合材料构件固化变形的影响分析

通过光纤光栅的方法实验研究了在热压罐成型工艺过程中,复合材料构件由金属固化模具与复合材料构件热不匹配导致的沿厚度方向和面内的固化残余应力发展,得到了固化后残余应力沿构件厚度方向和面内的分布情况,并分析了该残余应力分布的产生机制以及对构件固化后变形的影响.结果表明:复合材料与模具之间的热不匹配导致的固化残余应变沿构件厚度方向呈梯度分布,靠近模具端大于远离模具端,并且该应变会引起构件固化后的翘曲变形,变形以沿纤维方向为主.     

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。     

模具对复合材料层合板固化成型影响的数值分析

针对复合材料层合结构与模具在固化工艺中的相互作用进行研究以提高制备精度。考虑摩擦力和粘结力在模具和制件接触界面间的共同作用,改进一种复合材料层合结构固化应变及应力情况的数值计算模型并与已有实验结果进行比较。引入弹簧单元建立固化工艺有限元模型,并对解析模型进行验证。最后通过解析模型对固化变形的影响因素进行探究。结果表明:所建立的解析预报模型具有较高的计算精度及一定的实用性;考虑模具作用的有限元模型可以更好地对层合板的变形趋势进行预报和分析。通过解析模型探究发现层合板长度、模具材料和表面情况均会对固化过程中的层间滑移产生影响,对工艺条件制定具有更好的指导意义。      

固化度与固化收缩对非对称复合材料层合板固化变形的影响

采用三维有限元方法研究复合材料非对称层合板在热载荷和固化收缩载荷下的固化变形情况, 建立了材料力学特性、 固化体积收缩量和温度与固化度之间的函数关系, 考察了层合板变形曲率与温度和固化度之间的关系。数值计算结果表明: 非对称层合板变形曲率与固化终止时固化度有密切关系; 固化变形主要发生在降温阶段; 固化收缩对层合板变形曲率影响很小, 主要发生在第二个保温平台的前半段。      

热固性树脂基复合材料固化变形影响因素分析

采用整体-子模块化方法建立了描述复合材料固化全过程的三维有限元模型。以L 形层合板为例,分析了固化工艺、结构设计和模具等因素对固化变形的影响方式和程度。数值模拟结果表明：升温速率和对流换热系数通过改变峰值温度影响回弹角,固化压力通过改变树脂分布和含量影响回弹角;铺层方向引起的结构力学性能的变化是回弹角差异较大的主要原因,厚度对固化变形的影响需考虑其对峰值温度和结构刚度变化两方面因素的综合影响,拐角半径的变化对固化变形的影响较小;模具形式通过改变树脂分布梯度和模具对结构的作用力位置影响回弹角,模具材料和形式的选择对于固化变形控制具有重要意义。     

热固性复合材料固化过程三维有限元模拟和变形预测

分析了复合材料热固化过程中各种复杂的物理化学变化之间的相互影响,在此基础上建立了复合材料固化过程数值模拟和固化变形预测的三维有限元分析模型。采用整体-子模块方法将固化过程分为热-化学、流动-压实和应力-变形三个相对独立的子模块。热-化学模块的控制方程基于Fourier 热传导方程和树脂固化动力学方程建立,解决了温度和固化度之间的强耦合问题。流动-压实模块的控制方程基于Darcy定律和有效应力原理建立,反映了树脂流动和纤维网络紧密压实之间的流固耦合关系。应力-变形模块建立了考虑热载荷和固化收缩载荷时复合材料层合板的有限元方程。各模块之间的相互作用通过它们之间的数据交换来实现,以树脂在固化过程中的凝胶点和玻璃化转化点为判断依据确定是否运行各模块及其子程序。典型结构的计算结果与实验对比验证了本文三维有限元模型的有效性。     

复合材料V型构件的固化变形预测及其工装型面设计

利用固化动力学模型对20mm厚度和3mm厚度的ZT7H/5429碳纤维复合材料层合板进行了固化模拟,在固化过程中,20mm厚度平板出现了温度峰值,中心温度与表面温度差不超过6℃,3mm平板温度分布均匀,温度历程与热压罐工艺温度基本一致。利用简化的温度场和等效热膨胀系数对60°和90°拐角的V型基准试件进行了固化变形模拟,并进行了V型基准试件的固化试验。60°和90°拐角试件的固化回弹角的模拟值分别为1.58°和1.18°,试验测得的回弹角的平均值分别为1.59°和1.11°。对V型复合材料蒙皮构件进行了固化变形模拟,并得到了补偿过的工装型面,在该工装上成型的试件与设计形状基本一致。     

复合材料Ⅴ型构件的固化变形预测及其工装型面设计

利用固化动力学模型对20 mm厚度和3mm厚度的ZT7H/5429碳纤维复合材料层合板进行了固化模拟,在固化过程中,20 mm厚度平板出现了温度峰值,中心温度与表面温度差不超过6℃,3mm平板温度分布均匀,温度历程与热压罐工艺温度基本一致.利用简化的温度场和等效热膨胀系数对609和90°拐角的Ⅴ型基准试件进行了固化变形模拟,并进行了Ⅴ型基准试件的固化试验.60°和90°拐角试件的固化回弹角的模拟值分别为1.58°和1.18°,试验测得的回弹角的平均值分别为1.59°和1.11°.对Ⅴ型复合材料蒙皮构件进行了固化变形模拟,并得到了补偿过的工装型面,在该工装上成型的试件与设计形状基本一致.     

基于模具-制件相互作用的复合材料制件固化变形数值模型

针对复合材料制件在成型过程中的固化变形这一关键技术问题,通过在模具与复合材料制件之间引入剪切层的方法,建立了预测复合材料制件固化变形的解析计算模型和有限元仿真模型。剪切层的剪切模量用来衡量固化过程中模具与复合材料制件之间的相互作用,其数值大小通过与实验数据进行比对而得到。基于建立的固化变形模型,与文献中已有的实验结果进行了比较。结果表明:所建立的模型具有较高的可靠性。同时针对L型复合材料制件建立了三维有限元仿真模型,模型中除考虑材料各向异性和化学收缩效应以外,还将成型过程中模具与复合材料制件间的相互作用考虑在内。模拟结果表明:引入模具作用后L型零件的固化变形预测结果更加准确。      

大型复合材料航空件固化成型模具技术研究与应用进展

固化成型模具是诱导热固性树脂基复合材料构件制造变形的关键因素之一。大型航空用复合材料构件整体化、批量化及高精度高性能发展趋势对固化用模具提出了更高的精度及寿命要求,推动了模具材料、设计及制造工艺方面的新发展,但目前相关研究尚缺乏系统梳理。因此,针对航空用大型复合材料构件对高精度模具的广泛需求,综述了模具对复合材料构件成型精度的影响和作用机制,固化用模具材料及其设计与制造技术现状。重点详述了在制造精度、效率及成本综合考虑下,从模具材料到制造工艺的发展。最后,对当前大型复合材料构件高精度模具在材料、设计及制造技术方面的发展现状进行了总结,并对未来主要研究方向提出了明确建议。     

铺层角度偏差对曲面复合材料结构固化变形的影响分析

本文阐述了铺层角度偏差对某变厚度曲面结构复合材料固化变形的影响。对铺层角度偏差的来源进行了归纳,采用考虑热膨胀和固化收缩的固化变形计算模型,对该变厚度的复合材料曲面层合板结构的固化变形进行了计算,计算结果与试验结果较为吻合,表明了计算模型的准确性。采用均匀试验设计方法,得到了该曲面结构铺层角度偏差在5°以内变化时的实验方案,对实验设计的计算结果进行了回归分析,结果显示,对于该曲面复合材料结构,总体上铺层角度偏差对固化变形的影响不大,相对的,-45°的铺层偏差对固化变形的影响较大,90°的铺层偏差对固化变形的影响较小。     

复合材料结构固化变形预测

针对复合材料结构中广泛存在的固化变形现象,分析并讨论了其产生原因和可能的解决措施.并给出典型复合材料结构元件的固化变形预测规律.结合飞行器复合材料整体化结构的概念,以共固化复合材料加筋板为例,说明了整体化结构固化变形和几何设计参数之间的关系.     

固化过程中模具与复合材料构件相互作用分析

通过在模具与复合材料之间引入剪切层的方法, 建立预报相互作用下构件变形的有限元模拟程序, 模拟结果与文献中的实验结果基本吻合。同时建立了剪切层性能参数预报模型, 经实验与模拟结果的对比证明, 该模型能够对不同工艺条件下及不同结构尺寸的复合材料构件的固化变形进行较为准确地模拟。      

复合材料加筋板的大变形有限元分析

本文将考虑横向剪切变形的Mindlin's理论应用于复合材料加筋板的大变形分析,在Total-Lagrange坐标系下推导了八结点等参弯曲板单元和三结点等参梁单元的增量平衡方程和切线刚度矩阵,非线性问题采用增量法和Newton-Raphson迭代法相结合的方法求解.本文通过一些算例,证明了所采用单元具有良好的收敛性和足够的精度,并讨论了边界条件、纤维铺设角和加筋疏密等因素对复合材加料筋板非线性解的影响.     

结构参数对复合材料V型构件固化变形影响试验及解析分析

为研究结构参数对复合材料V型构件固化变形的影响,完成了针对V型构件厚度、拐角半径、拐角角度及铺层等结构参数的变形影响研究试验。基于剪力滞后理论和弯曲理论,利用解析法建立了考虑结构参数影响的复合材料V型构件固化变形预测模型,利用模型预测了V型构件的回弹变形并分析了不同结构参数对V型构件回弹变形的影响机制。结果表明:回弹变形随着厚度的增大而减小,厚度为1~3mm之间,角度回弹变形差异最大在30%左右;回弹变形与拐角角度的补角呈约为0.014的比例;拐角半径的不同导致变形的差异不超过5%;准各向同性铺层试验件展现了最大回弹变形,0°铺层的变形减小了23.5%,90°铺层几乎不发生变形。模型分析结果表明,厚度主要通过弯曲刚度和剪切变形两方面影响回弹变形;铺层引起的力学性能和泊松效应的变化是使回弹变形有较大区别的主要原因;V型构件直边变形最大为0.20°,对回弹变形影响较大。变形预测结果与试验结果对比验证了解析法模型的准确性。     

复合材料固化变形预测的理论模型

复合材料在固化过程中不可避免会发生变形问题,因此,需要建立相关理论模型对固化变形进行预测。理论分析可以深入揭示固化变形的内在原因,为试验和生产提供指导。根据已有的科研成果,比较了基于几何变形关系、层合板理论、材料力学理论和弹性力学理论等几个典型的理论模型,分析了其预测机理与适用范围,为复合材料固化变形的控制预测提供一定帮助。     

热固性复合材料固化过程中温度场的三维有限元分析

根据热传导和固化动力学理论, 采用三维有限元方法, 对正交各向异性复合材料层合板固化过程的温度和固化度历程及其变化规律进行数值模拟研究。在有限元分析中节点自由度为温度和固化度, 考虑了两者之间的耦合作用。计算结果表明: 厚度越大, 温度峰值越高, 中心点开始固化越晚; 不同纤维体积含量层合板在固化初期是同步的; 中心点温度超过保温平台(85 ℃) 后, 随着环境温度继续升高, 纤维体积含量越低, 中心点温度峰值越大, 出现时间越早。      

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。