树脂基复合材料固化行为的多尺度仿真研究

摘要

先进树脂基复合材料以其高比强度和比模量、低密度、高韧性、耐腐蚀以及多样化的工艺性等优点，已被广泛应用于国防、军工、航空航天、建筑、化工、交通运输、能源、机械电子、医疗、体育等众多领域。热压罐成型工艺是航空航天制造企业广泛采用的制造先进复合材料构件的方法之一。其中，固化阶段是材料成型过程中影响构件质量的关键环节。树脂基复合材料的固化过程具有非稳态、非均匀、强耦合的特点，仅仅依靠传统的经验和试验方法难以实现复合材料整体化成型的高性能、低缺陷、低成本目标。仿真是复合材料固化研究领域常用且有效的方法之一。固化过程仿真模型的耦合方式、耦合程度、耦合完整性、计算尺度以及材料本构方程的类型等直接影响着模拟结果的有效性和精确度。 本文以树脂基复合材料的热压罐固化工艺过程为研究对象，创建了一种完整性较强、耦合程度较高的复合材料固化过程的宏观尺度耦合仿真模型；提出了复合材料固化行为仿真的细观尺度计算新方法，建立了复合材料固化过程的细观尺度多场耦合仿真模型；探讨了固化工艺和铺层设计对复合材料固化行为的影响规律；同时，研究分析了材料本构方程对复合材料固化变形的影响。主要工作和结论包括以下几个方面： （1）创建了一种完整性较强、耦合程度较高的树脂基复合材料固化过程的宏观尺度仿真模型。目前，大多数固化仿真模型都存在物理场耦合不完整、考虑因素不全面的问题。本文综合考虑了温度、压力、纤维体积分数、层板厚度及材料性能参数等多种因素的影响作用，建立了集热传导、固化动力学、树脂流动-压实及固化变形于一体的完整性较高的复合材料固化过程的宏观尺度仿真模型。这为全面分析和控制复合材料的固化行为提供了极为有效的方法。在模型验证中，求解分析了 AS4/3501-6 预浸料在某一经典固化工艺过程中的温度、固化度、树脂粘度、树脂压力、纤维体积分数、层板厚度、弹性模量、热-化学应变及残余应力的演变历程和变化规律。研究结果表明：所建模型有效地体现了复合材料固化过程中多个物理场之间的强弱耦合关系，并能够完整、实时、准确地对树脂基复合材料的固化过程进行计算模拟；有关 AS4/3501-6 预浸料的温度、固化度和内应力的计算结果与文献研究结果匹配良好。 （2）提出了复合材料固化行为仿真的细观尺度模拟新方法，建立了复合材料固化过程的细观尺度仿真模型。由于宏观尺度材料模型在计算过程中不区分增强纤维和树脂基体的计算区域，而是利用细观力学公式和混合率公式在复合材料的所有域上进行求解，因此，其计算结果存在较大的误差。为了提高计算准确度，本文提出了固化仿真的细观尺度计算新方法。在模型验证中，数值模拟了USN125预浸料的固化过程，并与同等尺寸的宏观尺度模型的计算结果进行了对比研究。结果表明：与宏观尺度模型相比，细观尺度材料模型更加符合实际复合材料的构造，而且细观尺度模型的计算结果更加精确，其求解的材料温度和应变值与非常文献中FBG传感器的测试结果非常接近。 （3）探讨分析了固化工艺和铺层设计对复合材料固化行为的影响规律。固化工艺和铺层设计直接影响着构件的固化变形和成型质量。由于模型考虑的因素有限，目前关于固化工艺和铺层设计影响规律的研究还不够全面和准确。本文建立了X850/T800复合材料层合板的固化过程仿真模型，并设计了三种研究方案探讨分析固化工艺和铺层设计对材料固化行为的影响。研究结果表明：工艺温度、工艺压力和铺层设计是影响复合材料固化行为及固化质量的关键因素；该项研究工作为复合材料固化工艺和结构参数的优化设计提供了有效的方法和依据，且对减小固化变形和提高固化质量具有十分重要的意义。 （4）研究分析了材料本构方程对复合材料固化变形的影响作用。材料本构方程是固化变形模块的主要控制方程，直接影响着复合材料固化过程中残余应力和固化变形的预测结果。全面、准确地分析评估材料本构方程对复合材料固化变形的影响作用，有助于本构方程的正确利用和固化变形的预测研究。线弹性、CHILE （Cure Hardening Instaneously Linear Elastic，改良线弹性）和粘弹性本构方程是三种常用的本构方程。本文以AS4/3501复合材料的固化作为算例，对比分析了这三种本构方程对复合材料的热-化学应变、残余应力及固化变形的影响作用，并从计算精度、运算时间和内存占用量三方面进行了综合评估。研究结果发现：线弹性模型求解误差很大，但运算时间短，内存占用量小；粘弹性模型保证了较高的求解精度，但运算时间很长，内存占用量也大；CHILE模型的综合效能介于前二者之间。由此可见，这三种本构方程各有优缺点，在误差允许的范围内，可以根据具体情况适当选择利用。

目录

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第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2树脂基复合材料热压罐固化工艺过程仿真的研究状况

1.3树脂基复合材料固化过程仿真的研究现状及存在的问题

1.4 课题创新点、研究内容及研究方法

第2章 复合材料固化理论与数学建模

2.1 引言

2.2 复合材料固化理论

2.3 有限元分析方法和仿真软件介绍

2.4 复合材料固化过程数学建模

2.5 本章小结

第3章 树脂基复合材料固化行为的宏观尺度耦合模拟

3.1 引言

3.2 宏观尺度数值模拟方法

3.3 模型验证

3.4 结果讨论与分析

3.5 本章小结

第4章 树脂基复合材料固化行为的细观尺度耦合模拟

4.1 引言

4.2 细观尺度数值模拟方法

4.3 模型验证

4.4 结果讨论与分析

4.5 本章小结

第5章 固化工艺和铺层设计对复合材料固化行为的影响分析

5.1 引言

5.2 研究方法

5.3 结果讨论与分析

5.4 本章小结

第6章 材料本构方程对固化变形的影响分析

6.1 引言

6.2 研究方法

6.3 结果讨论与分析

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

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