连续纤维增强热塑性复合材料成型工艺的研究进展

连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)可循环使用,具有高比强度和比刚度、良好的耐腐蚀性、耐冲击性、耐热性、低成本以及设计灵活性,被广泛应用在汽车、船舶、航空航天、国防等领域。本文从纤维与基体出发,综述了CFRTP的加工工艺的研究进展。文章主要涵盖4方面的内容:首先介绍用于制造结构复合材料的典型热塑性基体和高性能纤维,然后介绍连续纤维的表面处理和连续纤维热塑性预浸料的制备;之后介绍CFRTP的热成型和树脂传递模塑(RTM)以及一些新开发的CFRTP成型技术,详细介绍有关工艺改进和参数优化的实验和数值研究;最后展望了CFRTP的未来研究重点及发展趋势。     

考虑双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型

为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性,首先,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型,该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能;然后,给出了模型参数的确定方法,并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数;最后,利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真,并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明:提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点,且材料参数容易确定,可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。      

考虑拉剪耦合的二维编织物各向异性超弹性本构模型

基于连续介质力学理论,提出了一种考虑二维编织物拉剪耦合作用的各向异性超弹性本构模型。该模型中应变能被分解为纤维拉伸应变能和拉剪耦合作用下的剪切应变能两部分。给出了模型参数的确定方法,通过拟合实验数据,得到了本构模型参数。利用确定的本构模型对文献中不同预拉状态下的镜框剪切实验进行了预测,通过与实验结果对照,验证了所提出的本构模型正确性。该模型不仅具有明确的物理意义且参数确定简单,为更加全面精确的二维编织物成型有限元分析奠定了理论基础。     

碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料热冲压叠层模型

针对碳纤维增强热塑性树脂复合材料(CFRTP)在热冲压成型过程中涉及到大变形、各向异性和多场耦合的现象,为了表征CFRTP在成型中的力学特征,基于有限元方法与连续介质力学理论提出了一种热塑性树脂基体与碳纤维机织物的叠层模型。与单独采用碳纤维机织物超弹性本构模型预测CFRTP成型性能的方法相比,提出的叠层模型能够表征成型温度、压边力和纤维取向对CFRTP成型缺陷的影响,并能优化热冲压成型工艺参数。这一叠层模型具有简单实用和材料参数容易确定的优点,为碳纤维机织物增强热塑性树脂复合材料成型的数值模拟和成型工艺优化奠定了理论基础。