玻璃纤维缠绕件芯模的优化研究

摘要

随着科学技术的飞速发展，复合材料兼具多种材料优良性能的特性在世界上被广泛的开发，逐步应用到航天、军事等多种领域。在复合材料制品的成型质量中制造工艺与材料性能具有同等地位。与以往外固化成型方法不同，热芯缠绕工艺采用加热管在芯模内部通入高温水蒸汽的方法将复合材料的缠绕与加热固化两道工序同步化，有效的减少设备和占地面积、降低工人操作的复杂性，提高了成型效率，使复合材料实现了边缠绕边固化的一体化成型。
　　复合材料缠绕制品中环氧树脂的使用频率很高。环氧树脂是热塑性材料，固化中需控制的温度特征参数很多，温度的精准控制是关键。当前温控中最突出的问题是加热时芯模轴向温度分布不均匀，这与芯模内部加热管道的结构存在直接关系:高温水蒸汽在芯模内部进行循环时，在封闭式尾部处对流效果不理想和存在流量、温度损失，使得复合材料在成型过程中首尾受热不均匀，可能存在应力变形、分层等现象。而且圆形导气孔口附近的芯模外表面温度等温线呈同心圆分布，内外温差较大，导致此处的壳体局部更易分层。
　　针对以上问题，本文介绍了常用缠绕设备和复合材料壳体成型质量影响因素，建立了芯模内部加热管道蒸汽物理模型。基于流体分析软件FLUENT用二维模型对水蒸汽在加热管中的流场分布进行仿真，根据仿真速度云图和节点图分析了导气孔处的蒸汽速度与入口蒸汽流速以及加热管道结构之间的关系。根据分析结果对加热管改进，并对优化前和优化后的芯模管道进行了三维热流耦合:结果显示优化后的芯模内表面上的温度分布能满足预期要求，同时表明研究中温度轴向分布不均匀的因素是流量。最后，针对导气孔处芯模温度同心分布温差较大问题，运用射流理论分析了圆孔口不利于蒸汽扩散的原因，分析结果显示矩形孔是更理想的孔口形状。

目录

声明

摘要

1．1 目的及意义

1．2 研究背景

1．3 缠绕加工特点

1．4 有限元分析特点

1．5 课题来源和主要研究内容

1．5．1 课题的来源

1．5．2 主要研究内容

2．1 缠绕设备

2．2 影响缠绕制品性能的因素

2．2．1 纤维缠绕成型工艺

2．2．2 缠绕工艺参数的影响

2．3 本章小结

3 蒸汽加热过程数学模型及数值解法

3．1 热传导方程的建立

3．2 湍流数学模型

3．3 蒸汽相变模型

3．4 控制方程的广义形式和具体形式

3．5 SIMPLE算法

3．6 FLUENT软件介绍

3．7 计算计数值分析的优越性

3．8 本章小结

4．1 芯模结构

4．2 二维流场模拟仿真

4．2．1 二维芯模仿真模型的建立

4．2．2 导气孔口径对孔口速度分布的影响

4．2．3 加热管入口流速对流场分布影响

4．3 三维热流耦合仿真分析

4．3．1 芯模三维模型的建立

4．3．1 芯模内壁温度场分布情况

4．4 出口优化

4．5 本章小结

5 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢