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。     

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.     

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％.     

纤维体积含量和富树脂对复合材料V型结构固化变形的影响

为研究模具因素对复合材料纤维体积含量、富树脂以及固化变形的影响,利用热压罐工艺完成了T700/QY9611复合材料V型结构成型试验,对其纤维体积含量、富树脂厚度以及回弹变形进行测量与研究。建立了考虑热载荷、树脂收缩载荷、模具接触、纤维体积含量以及富树脂等因素的复合材料回弹变形预测三维有限元分析模型,定量分析了纤维体积含量梯度和富树脂对回弹变形的影响。研究结果表明：使用阴模模具产生10.0%的纤维体积含量梯度和2.2 mm的富树脂,拐角半径增大后分别减小为6.8%和1.2 mm,模具材料的影响较小;使用阴模成型试验件变形增大21.0%,使用拐角半径较大的阴模,变形减小了9.6%,阴模模具主要通过纤维体积含量和富树脂影响回弹变形;模拟结果表明：V型构件的变形与纤维体积含量梯度和富树脂厚度呈正比例,10%的纤维体积含量梯度导致13.5%的变形差异,3.0 mm厚的富树脂会产生45.8%的变形差异。模拟结果与实验结果对比验证了模型的准确性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

低温固化高性能复合材料研制成功

据报道，陈祥宝院士带领团队成功研制出了低温固化高性能复合材料，为树脂基复合材料的发展和应用做出了重要贡献。     

热固性树脂基复合材料构件固化变形数值模型

针对树脂基复合材料构件固化过程中的固化翘曲变形这一关键技术问题,通过引入剪切系数的方法来代替固化过程中模具与复合材料之间的相互作用,建立了预报树脂基复合材料构件固化变形的数值计算模型。通过少量实验数据来确定模具与复合材料之间的剪切系数,进而预测复合材料构件的固化变形。通过与文献中实验结果的比较证明了所建立的模型具有较高的可靠性。实验与计算结果表明,该模型能够在不考虑复杂的材料参数变化的情况下对不同结构尺寸及不同工艺参数下的复合材料构件的固化变形进行较为准确地预测。     

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。     

整体化复合材料结构分阶段固化变形预报方法及其实验验证

通过测试分析了T800/环氧预浸料固化过程中性能参数的变化规律; 针对热压罐工艺条件下复合材料整体化结构分阶段成型的特点,提出了一种基于应力传递的分阶段固化变形的有限元模拟方法; 对于不同成型工艺的工型加筋壁板结构,将分阶段模拟得出的变形结果与测试结果进行了对比,并分析了成型工艺与变形量之间的关系。结果表明,本文中提出的模拟方法能够准确预报整体化结构的固化变形,变形与成型工艺密切相关,针对特定的结构与铺层,采用合理的工艺过程能够有效减小构件的固化变形。     

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.     

变厚度复合材料U型零件固化变形仿真预测与结构影响因素

为了准确预测变厚度CCF800H/AC531碳纤维/环氧树脂复合材料U型零件的固化变形,并分析弯边以及变厚区参数对变形的影响。首先,利用自洽方法确定了单层复合材料力学性能,采用细观有限元方法预测了层合板的整体性能以避免仿真建模时复杂的铺层设置。而后结合固化硬化瞬时线弹性模型建立了零件的固化变形预测方法并进行了验证。变厚区对相邻区域的变形的影响规律由变厚区结构参数确定,与铺层方式和材料种类无关。运用Box-Behnken响应面方法,拟合了两个二次模型以分析弯边参数和变厚度结构参数对固化变形的影响规律。变厚区对较薄区域的影响较大,变形最大减小幅度达15%,而对较厚区域的影响可以忽略。采用方差分析比较了不同因素的影响,变厚区的宽度变化对变形的影响较小。当截面距变厚区的距离大于150 mm时,变厚区对较薄区域的影响接近为0。     

复合材料补偿方法及其对变形的影响

固化变形一直是困扰复合材料零件后期快速、精确装配的重要问题之一,通过在复合材料零件装配面设计补偿层,待固化后再借助数控机床加工至理论型面,为复合材料零件精确制造提供了新的思路。通过半圆型复合材料零件固化变形仿真和实验验证发现,补偿层材料体系、铺层角度等均会影响补偿层与主体结构共固化试样的固化变形规律,其中,补偿层材料的纤维种类对零件固化变形影响最大,树脂种类次之,补偿层铺层角度不对称也会增加零件固化变形量,通过对称铺层处理,可有效控制变形量。在材料和铺层角度均匀对称的情况下,补偿层厚度变化不会导致固化变形规律及变形量状态的改变。经过机加处理后,试样会发生二次变形,但是机加后半圆型件在自由状态下型面最大变形<1mm,相比于无补偿的试样,变形量减小约33%,可满足工程装配需求。     

树脂基复合材料制件微波固化数值模拟

以T800碳纤维/X850环氧树脂复合材料T型制件为结合对象,利用COMSOL Multiphysics仿真软件,建立了反映复合材料制件单馈口谐振腔体微波固化的有限元仿真模型,研究了微波腔体和制件内部的电磁场、温度场、固化度场的分布规律及其与微波输入功率的映射关系。结果表明：在微波腔体内和制件内存在相反的电场强度分布,在复合材料制件内,远离微波馈入端口的区域的电场强度要高于近馈入端口区域,且在制件棱角区域,电场强度存在较强的尖端效应;随微波输入功率增加,微波腔体及制件内部的电场强度均随之增加,制件内电场强度最大值出现在上、下表面,且下表面温度明显较上表面高;提高微波输入功率会导致制件升温过快,进而诱发温度及固化度梯度。在升温中后期的制件厚度方向,温度和固化度梯度较明显。本文推荐微波输入功率应控制在500 W以内。     

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。     

PMI泡沫夹芯复合材料共固化参数研究

在不同温度和压力的热压罐环境下,测试聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)的尺寸稳定性,建立尺寸变化率与温度、压力、时间的关系,并结合不同固化参数下碳纤维增强树脂基复合材料的机械性能,得到外形和内部质量满足要求的PMI泡沫夹芯复合材料。