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。     

基于材料性能时变特性的复合材料固化过程多场耦合数值模拟

针对热固性树脂基复合材料固化过程中各种复杂的物理化学变化之间的相互影响,建立了基于材料性能时变特性的复合材料固化过程的二维多场耦合计算模型。该模型由已知的3个经典复合材料固化过程子模型构成,包括热-化学模型、树脂黏度模型和树脂流动模型。在此基础上,将固化过程中材料性能的时变特性引入多场耦合计算模型中。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。对AS4/3501-6复合材料层合平板的固化过程进行了数值模拟,重点研究了固化过程中纤维体积分数变化及材料参数的时变特性对固化过程中温度、固化度和树脂压力等参量的影响。分析结果表明:考虑纤维体积分数变化和材料性能的时变特性后,固化过程中复合材料层合板中心温度峰值明显减小,树脂压力随时间的变化将有所滞后。     

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。      

复合材料固化相关黏弹性性能演化及残余应力分析

通过对复合材料固化度和温度相关黏弹性本构方程的分析,定义一个能综合反映固化度和温度等对复合材料黏弹性性能影响的无量纲参数De_m。当参数De_m都大于10~2时,复合材料基体处于流动状态;当参数De_m都小于10~(-2)时,复合材料为弹性状态;仅当部分参数De_m小于10~2而大于10~(-2)时,复合材料处于黏弹性状态。以AS4纤维/3501-6树脂复合材料为例,基于对其参数De_m在典型固化工艺过程中的演化,研究该复合材料黏弹性性能的发展过程,发现基于参数De_m分析得到的凝胶点时间与实验结果一致。根据复合材料黏弹性性能对残余应力发展的影响,将复合材料残余应力计算分为流动阶段和黏弹性阶段,并建立了相应的状态相关黏弹性本构模型。最后通过与原始模型预测结果的比较验证了提出的本构模型,表明本文提出的计算方法与原始黏弹性本构模型计算结果一致,但大大降低了计算所需的时间和存储空间。     

复合材料残余应力和固化变形数值模拟及本构模型评价

为了评价不同固化本构模型,建立了预测复合材料构件残余应力/应变和固化变形的三维数值模型。该模型由热化学分析模块和热力分析模块构成,考虑了热化学耦合、材料性能的各向异性、化学收缩及黏弹性等因素。基于线弹性、黏弹性和Path-dependent三种典型的本构模型,预测了构件的残余应力/应变及固化变形。通过与试验结果对比,验证了所建数值模型的有效性,并重点研究了不同本构模型的适用性。结果表明,黏弹性本构模型最佳,对构件的残余应力/应变及固化变形的预测结果均较好; Path-dependent本构模型次之,对构件的残余应变和固化变形的预测结果较好,但对构件的残余应力的预测结果稍差;线弹性本构模型最差,除了对构件的残余应变和较薄构件的固化变形的预测结果较好外,其他预测结果都较差。     

热固性树脂基复合材料热隔膜成型过程数值仿真

为研究制件成型过程中的层间滑移情况及固化后的回弹变形,首先,利用自行开发的热隔膜成型装置制备了热固性树脂基复合材料C型制件。同时,针对热隔膜成型过程建立了三维数值仿真模型;该模型由3个复合材料固化过程子模型构成,包括热-化学模型、层间滑移模型和固化变形模型。然后,在此基础上将固化过程中复合材料性能的时变特性引入到仿真模型中,并将仿真结果与文献中的实验结果进行比较。最后,利用建立的仿真模型对热隔膜成型过程进行了数值模拟,并与实验进行比对,重点研究了成型过程中温度、固化度分布、层间滑移以及固化变形情况。所得结果证明所建立的数值模型对热隔膜成型过程的预测具有较高的可靠性及准确性,可以为后续热隔膜成型参数优化和模具修正提供参考。      

共固化阻尼复合材料研究进展

文中综述了共固化阻尼复合材料结构近年来的研究成果,包括共固化阻尼复合材料结构的共固化工艺类型、黏弹性阻尼材料的选择范围,并对阻尼薄膜的制作工艺、阻尼薄膜的结构以及处理方式行了概括。此外,对环氧树脂基与双马树脂基共固化阻尼复合材料的实验方法、数值模拟及理论分析做了总结,最后对共固化阻尼复合材料结构存在的不足及未来的发展趋势进行了展望。提出未来应用中需要继续研究解决的问题,以上工作对于深入探索大阻尼高刚度复合材料构件具有一定的参考意义。     

超薄金属内衬CFRP压力容器树脂体系固化动力学

应用动态差示扫描量热(DSC)方法对炭纤维增强树脂基复合材料(CFRP)压力容器树脂体系固化反应进行分析。树脂体系的活化能通过等转化率法获得, 假设反应机制服从自催化方程, 应用本文中提出的区间法建立了树脂体系固化动力学模型。通过固化过程中温度场实验可知, 针对具有超薄金属内衬复合材料压力容器树脂体系, 应用区间法建立的固化动力学模型的计算结果与实验结果吻合较好, 可以为具有超薄金属内衬的CFRP压力容器温度场、 残余应力场的数值模拟提供必要子模型。      

热压工艺热-化学-应力三维数值模型及有限元分析

建立了复合材料热压工艺的三维热-化学-应力耦合数学模型。该模型考虑了整个工艺周期过程中的热-化学应变、材料的黏弹性效应、各向异性及玻璃化转变温度与固化度的关系。其中热-化学模型可采用完全耦合的形式求解,而应力模型则可采用单向耦合的形式求解。对AS4/3501-6层合平板的热压工艺过程用有限元方法进行了数值模拟,得到的层合板翘曲度与实验结果相符。计算结果表明,层合板厚度减小或长度增大,都会使翘曲变形增大,而工艺压强对翘曲变形影响很小。层合板的翘曲变形随着模具与层合板热膨胀系数差距的变小而减小。       

高温老化后嵌入式共固化阻尼复合材料结构的阻尼性能

在综合研究双马来酰亚胺树脂基碳纤维预浸料(T700/QY260)和AFLAS氟橡胶的力学性能、阻尼性能和耐高温性能基础上,通过试验的方法提出一种能够耐260℃超高温度的黏弹性阻尼材料。利用四氢呋喃溶液将该黏弹性阻尼材料制成阻尼胶浆溶液,结合双面刷涂和热压罐工艺制备出嵌入式共固化阻尼复合材料试件,利用自由振动衰减实验方法对该试件分别做常温、230℃*96 H、260℃*96 H老化实验处理后相对阻尼系数的测定,得到不同温度老化处理后的嵌入式共固化阻尼复合材料的相对阻尼系数与阻尼材料厚度的关系,证明了所制备的嵌入式共固化阻尼复合材料具有优异耐超高温性能和稳定的阻尼性能。     

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。      

Identification of viscoelastic behavior for early-age concrete based on measured strain and stress histories

In order to accurately predict the stress of concrete structures that undergo variations of temperature and moisture, a compliance function is required that considers the fast development of material properties in early-age concrete. The purpose of present study is to identify the viscoelastic behavior in actual concrete structures at early ages. To this end, a numerical method to identify the viscoelastic properties from measured strain and stress histories was investigated and a series of full-scale test members was fabricated, from which the behavior of early-age concrete was directly measured. The relaxation function was identified from measured data in the full-scale members and the existing compliance model, which is based on the solidification theory, was modified for incorporation into the early-age behavior. The modified compliance model described the highly viscoelastic behavior of concrete at very early ages and thus allowed more accurate evaluation of deformation and stress in early-age concrete.     

基于分数阶黏弹性模型的木塑复合材料蠕变/回复性能分析

木塑复合材料(WPC)是一种木质纤维增强聚合物的新型环保复合材料,为分析WPC在非恒定荷载下的变形行为,进行结构的长期变形设计,对WPC的蠕变/回复变形进行计算分析。采用叠加原理对比分析既有蠕变计算模型对WPC蠕变/回复的整体预测效果。结果表明,现有模型均不能良好预测其蠕变/回复行为。采用基于分数阶微积分的黏弹性模型对其蠕变/回复行为进行预测,提出一种双参数法的修正分数阶黏弹性模型。通过与已有实测数据对比表明,该模型能够准确反映WPC的静态黏弹性行为。结合实验数据,给出了不同WPC蠕变/回复模型的参数取值。      

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。     

考虑界面应变传递机制的内埋FBGs环氧树脂固化过程模拟

采用实验与数值分析相结合的手段对光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg grating sensor,FBGs)与基体间应变传递机制这一固化监测的基础问题进行了探索。首先,对树脂的固化动力学、热膨胀、化学收缩和玻璃化转变等物化变化进行了表征,然后,借助热电偶和FBGs开展了环氧树脂固化过程的温度和应变监测实验,最后,基于固化过程热-化-力多场耦合数值分析方法开展了固化过程模拟。通过对比纯树脂模型、界面采用绑定约束的含FBGs模型和界面采用内聚力行为的含FBSs模型分析结果,对界面传递机制进行了探讨。结果表明：固化前期界面处存在的剪滞效应和界面滑移行为导致FBGs监测应变相较树脂本体应变明显偏小,其中剪滞效应占主导作用。采用内聚力行为可以较好地描述固化过程界面应变传递机制,数值预测结果与实验值误差较小。     

应力水平和纤维角度对CGF/PP复合材料蠕变行为的影响及其Burgers模型参数的数值预测

采用DMA的Creep模式分别测试了短时间内（15 min）聚丙烯（PP）在不同应力水平和温度下的单向拉伸蠕变行为,长时间内（10 h）连续玻璃纤维增强聚丙烯（CGF/PP）复合材料单层板在不同应力水平和不同纤维角度上的拉伸蠕变行为。利用Burgers黏弹性模型拟合了蠕变测试数据,构建了相关参数与应力水平和纤维角度的依赖性。结果表明:PP和CGF/PP单层板的蠕变柔量均随应力增大而显著增加,稳态蠕变速率也随之增加,蠕变模量保留率明显下降,PP基体的黏弹性主要决定了CGF/PP单层板在低应力水平下的蠕变行为; 30%应力水平下,偏轴拉伸的纤维角度在0°~90°范围内存在拉-剪耦合效应,在45°时最为显著,此时稳态蠕变速率和蠕变变形量最大;利用四元件Burgers黏弹性模型拟合各条件下蠕变曲线得到的数值模型与实验数据具有较好的相关性,相关系数达到0.99,从得到的数值模型可知相关模型参数存在明显的应力和角度依赖关系;利用模型参数的数值拟合公式分别预测10 MPa应力下0°纤维方向的蠕变曲线及45°纤维方向上30%应力水平的偏轴蠕变曲线均与实验曲线一致,表明本文得到的数值模型的可靠性。      

Viscoelastic properties of multi-walled carbon nanotube/epoxy composites using two different curing cycles

Along with carbon nanotubes (CNT) morphology, impurity, and functionalization, polymer curing cycle is another important factor in determining the mechanical properties of the CNT/polymer composite samples. This work investigates the effect of two different curing cycles on mechanical and thermo-mechanical properties of the nanotube in the composite in order to optimize the curing condition in term of time and temperature. Nanocomposite samples were prepared by mixing multi-wall carbon nanotubes with epoxy resin using sonication method. The mechanical and viscoelastic properties of the resulting composite samples were evaluated by performing tensile and dynamic mechanical thermal analyses (DMTA) test. The results indicate that the mechanical and viscoelastic properties of pure epoxy and composite samples have been affected by the condition curing process. Concerning viscoelastic modeling, the COLE–COLE diagram has been plotted by the result of DMTA tests. These results show a good agreement between the Perez model and the viscoelastic behavior of the composite.