热固性树脂基复合材料固化变形和残余应力数值模拟研究综述

固化变形和残余应力给复合材料的应用带来威胁,准确的预测固化变形和残余应力可以为复合材料的结构和工艺设计提供调整依据,减小固化变形和残余应力。数值模拟方法因其简单、预测精度高而被广泛采用。本文主要介绍了复合材料固化变形和残余应力数值模拟流程中包含的热传导-固化模块、流动压实模块和应力变形模块。重点详述了应力变形模块中本构方程和模型-构件之间相互作用力研究的最新发展,为固化变形和残余应力预测提供方向和参考。简要讨论当前复合材料固化变形和残余应力预测的主要发展方向。     

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。     

基于黏弹性本构模型的热固性树脂基复合材料固化变形数值仿真模型

针对热固性树脂基复合材料热压罐成型工艺过程,采用广义Maxwell(麦克斯韦)黏弹性本构模型建立了残余应力和固化变形的三维模型。模型考虑了复合材料固化过程中的热-化学效应、材料的热胀冷缩效应、基体树脂黏弹性效应以及材料的各向异性。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。对复合材料C型制件的固化过程进行了数值模拟和实验对比,比对结果表明该数值模型具有较高的准确性。     

非线性黏弹复合材料有效性质

提出了一个细观力学模型 , 用于预测非线性黏弹聚合物基复合材料的有效性质。该方法利用广义割线模量方法对单积分型热力学本构进行线性化 , 并运用 Laplace变换技术将黏性问题转化为弹性问题。利用热力学本构拟合高密度聚乙烯的实验数据 , 得到基体的材料参数。 利用该模型计算了玻璃微珠填充高密度聚乙烯复合材料(GB/HDPE)在恒应变率下的应力应变关系 , 计算结果与文献实验结果吻合较好。数值计算结果表明 GB/HDPE复合材料表现出明显的非线性力学行为。 该细观力学模型可以很好地预测复合材料非线性黏弹性性质。      

基于数值模拟的注射成型聚碳酸酯热 /流动残余应力的壁厚特性

分别基于线性黏弹性模型和可压缩黏弹本构模型,采用相应的有限差分法和有限体积法作为控制方程的离散方法,以计算注射成型制品的流动残余应力和热残余应力.实现了对3 mm,7 mm和11 mm厚度注射成型聚碳酸酯平板的流动残余应力和热残余应力的数值模拟,并结合注射成型实验,分析了薄壁/厚壁制件流动残余应力、热残余应力和总残余应...     

考虑残余变形的SMA棒材数值模拟方法研究

为了模拟实际情况中超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)棒材在循环拉伸荷载作用下的残余应变，解决SMA棒材在自复位体系中应用时结构的自复位性能数值模拟结果偏于理想的问题，提出了一种可以考虑残余变形的SMA棒材数值模拟方法。采用基于唯象理论的Auricchio本构模型，对4个超弹性SMA棒材算例进行有限元模拟，在此基础上，采用材料置换的思路，以等效弹塑性金属的塑性变形来反映SMA棒材受力后的残余变形，给出了具体的SMA棒材残余变形有限元模拟方法，并根据试验数据对模拟结果进行了验证。研究结果表明，基于Auricchio本构模型的SMA棒材有限元模拟结果无法表现材料的残余变形，而采用所提出的可以考虑残余变形的SMA棒材数值模拟方法能够较好地反映SMA棒材包括残余应变在内的各项力学性能。     

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。     

基于Exp-ln模型与广义黏弹性理论的橡胶本构模型及其应用研究

提出了一种描述橡胶材料不同应变率下力学响应的黏超弹本构模型。首先,利用Instron实验机和SHTB实验装置,开展橡胶材料单轴拉伸实验;其次,结合Exp-ln超弹性本构模型和广义黏弹性方法,建立了橡胶材料黏超弹本构模型;再次,推导本构模型三维增量格式,编写了用户子程序(VUMAT),验证了本构模型的一维和三维有效性;最后,建立橡胶底座冲击附加载荷计算数值模型,并将冲击附加载荷实验与数值仿真进行对比验证。结果表明:单轴拉伸实验与数值解吻合较好,冲击附加载荷实验值与仿真值误差约为7%,验证了黏超弹本构模型的正确性。     

高密度聚乙烯材料在大变形条件下的数值模拟研究

针对高密度聚乙烯(HDPE)在大变形条件下有限元模型不易收敛、本构关系较为复杂的问题,对HDPE片材进行了单轴拉伸试验和数值模拟研究。通过对比试验结果和模型计算结果发现:非线性粘弹性本构模型与小变形条件下HDPE的单轴拉伸试验结果较为吻合,但与大变形条件下的试验结果相差较大;而Kwon模型的计算结果与大变形和小变形条件下的试验结果均较为吻合。同时,对Kwon模型的参数选择进行了优化,得到了100mm/min和150 mm/min拉伸速率下的优化参数,对大变形下片材的数值模拟具有较好的参考价值。此外,通过对条带单元的应力应变分析,可知HDPE条带在单轴拉伸下的应力应变呈不均匀分布,中心点区域是片材最大应力应变的集中点,这也解释了HDPE条带断裂多出现在中心区域的原因。     

高水头闸门止水材料超弹性与黏弹性本构研究

首先针对闸门止水橡胶的超弹性能对其数值分析起决定性作用.根据止水橡胶单双轴拉伸和纯剪切实验,得到了其名义应力应变曲线;对通用的橡胶本构模型进行了系统的对比与分析,给出了在实验数据齐全和不全情况下,止水橡胶数值仿真最优本构模型;其次采用不同的橡胶黏弹性本构模型,通过对某超高坝底孔闸门止水有限元计算,得出止水应力松弛失效时间,通过与闸门实际运行资料对比,得出burgers本构模型是最合理的;改变了以往设计阶段采用标准线性固体模型来预测止水失效时间的做法。该研究为止水的生产设计提供了系统的参考,具有较高的理论意义与实用价值。     

带有铝板复合材料层板固化过程中残余应力演化

本文对两种材料组成的层板的残余应力进行了研究.提出应用有效温差并结合线膨胀系数对带有铝板复合材料层板固化成型过程中残余应力形成进行理论分析,其中残余应力主要考虑温度产生的.采用先进的光纤技术对带有铝板复合材料层板固化成型过程中残余应力进行试验研究,即将光纤布拉格光栅(FBG)分别埋入到复合材料内部及复合材料与铝板之间,监测固化全过程残余应变的演变,并且构件最终变形与理论分析释放残余应力方向一致.     

热残余应力对考虑微观孔隙碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能的影响

为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响,发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法,建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件,并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系,进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现,材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力,在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起,材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中,而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型,模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低,但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型,热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。      

离心钢管混凝土的等效本构关系

在现有离心钢管混凝土本构关系分析的基础上,将离心钢管混凝土简化为同一尺度的横观各向同性体,利用在弹性状态下应变能相等原理和弹塑性状态时应力—应变呈二次抛物线变化的假定,提出了离心钢管混凝土这种组合结构新的等效本构关系。实例分析表明,模型与试验结果吻合较好,且该本构关系能客观地反映了离心钢管混凝土构件的物理力学关系,为离心钢管混凝土结构进行数值分析奠定了基础。     

GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为与本构方程研究

目的 研究GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为,为高温合金板材高温成形工艺的制定和优化提供指导。方法 基于GH5188合金板材高温拉伸试验,分析了变形工艺参数对GH5188合金板材高温拉伸变形时真应力、应变速率敏感性指数和应变硬化指数的影响规律,建立了本构模型对其流动行为进行描述和预测。结果 GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为受应变硬化、流动软化和应变速率硬化的共同影响,其变形过程分为弹性变形、加工硬化、稳态流动和断裂4个阶段。随变形温度的升高和应变速率的降低,真应力减小。变形温度、应变速率和真应变对GH5188合金板材的应变速率敏感性指数和应变硬化指数具有显著影响。基于Johnson-Cook和Hensel-Spittel模型,建立了考虑应变硬化效应、流动软化效应和应变速率硬化效应耦合影响的GH5188合金板材高温拉伸变形本构模型(JC-HS模型),采用该模型预测的真应力与试验值的平均相对误差为6.02%。结论 建立的JC-HS模型能够较好地描述和预测GH5188合金板材的高温拉伸流动行为。     

1Cr18Ni9Ti 不锈钢管滞后回弹的黏弹塑性建模和有限元模拟

目的研究1Cr18Ni9Ti不锈钢管在单轴拉伸和回转牵引弯曲卸载后的滞后回弹现象,利用有限元软件进行滞后回弹结果的预测。方法通过系列单轴拉伸和应力松弛试验得到1Cr18Ni9Ti不锈钢管黏弹塑性材料参数,采用双耗散黏弹塑性材料模型在有限元ABAQUS软件进行拉伸和回转弯曲卸载后滞后回弹的模拟预测,并与试验结果对比。结果利用该黏弹塑性材料模型预测得到的滞后回弹变化趋势与试验值吻合较好,数值上接近试验值。结论基于双耗散黏弹塑性材料模型进行滞后回弹的建模,在瞬时回弹后,弹塑性组合单元和黏弹性组合单元中存在相反的残余应力,从而驱动材料持续发生黏弹性变形,可能是产生滞后回弹的原因。有限元分析中考虑了加载过程中的黏性响应,其预测结果更加接近实际。     

支化高分子在收缩膨胀流道中的复杂流变行为

为了洞察支化高分子熔体在收缩膨胀流道内的复杂流变行为,文中采用S-MDCPP和DCPP模型分别描述支化高分子熔体的本构行为。针对黏弹性本构方程中的对流占优问题,采用离散的弹性-黏性应力分裂技术/迎风流线(DEVSS/SU)法解决。同时采用改进的有限增量微积分(FIC)法和等低阶单元插值求解变量。研究表明,2种模型预测的结果吻合较好,而且2种模型预测的等色条纹图与实验结果吻合较好。另外,还讨论了Weissenberg数对支化高分子流变行为的影响。     

一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型

橡胶通常被看作一种不可压缩各向同性的超弹性材料,其本构模型通常用应变能密度方程表示。针对Yeoh模型偏软的特性,该文提出了一种改进的Yeoh超弹性材料本构模型。基于连续介质力学大变形理论,给出了改进的Yeoh模型在三种特殊变形模式下的应力-应变关系,并与原有的Yeoh模型和实验数据进行了对比。结果表明:改进的Yeoh模型在保持Yeoh模型体现反“S”形应力-应变关系的前提下,有效地克服了Yeoh模型在预测等双轴拉伸曲线时“偏软”的特性。在较大的应变范围内能够同时准确地预测单轴、平面和等双轴拉伸-压缩的应力-应变关系,具有较大的工程应用价值。     

基于自动铺放技术的变刚度复合材料层合板固化变形特性

准确预测和控制变刚度结构的固化变形是合理进行变刚度设计的关键环节,复合材料结构的固化变形不仅会影响结构的刚度强度特性、同时会对结构的装配性能产生影响。基于自动铺放技术,提出面向过程的丝束-路径-面板多级三维变刚度有限元模型算法。结合Kamal自催化固化动力学模型和广义Maxwell黏弹性本构模型进行热-化学-力多场耦合分析,计算固化过程中结构内部温度场、固化度场和残余应力场的变化,最终得到变刚度层合板的固化变形特性。通过参数化分析,研究了自动铺放过程中轨迹控制参数T₀、T₁和覆盖法则对结构固化变形产生的影响。研究结果表明：T₀=45°时,当T₁0变刚度结构的固化变形随着T₁的增大而增大,当T₁>T₀,变刚度结构的固化变形随着T₁的增大而减小。100%覆盖法则有效减小结构的固化变形,而0%覆盖法则使固化变形增大。本文提出的方法可以有效预测工艺参数对变刚度结构固化变形的影响。     

一种弹芯用聚碳酸酯的动态力学性能研究及本构关系

为了研究一种弹芯用聚碳酸酯材料在冲击作用下的动态力学响应,利用材料试验机和SHPB装置对该材料在不同应变率条件下动静态压缩性能进行测试分析,获得了该聚碳酸酯材料不同应变率下的应力应变曲线,试验结果表明:聚碳酸酯材料的压缩过程呈现明显的黏弹性现象,其动静态屈服强度和模量随着应变率的增加而变大,塑性阶段表现为应变软化与应变硬化相互作用的结果,且不同应变率下塑性阶段的应力应变曲线切向模量近似相等;基于试验结果建立了描述聚碳酸酯材料大变形力学行为的黏弹塑性本构模型,并得到了该材料的本构方程。对比分析显示,该模型可以较准确地描述聚碳酸酯材料动静态压缩行为。