真空模压下亚麻纤维结构件拉伸强度及浸润特性研究

摘要

亚麻纤维复合材料以其能耗少、造价低、可再生等特点在各个领域的应用研究已成为热点之一。亚麻纤维结构件的真空模压(Vacuum Assisted Resin TransferMolding，VARTM)成型技术是影响亚麻纤维结构件力学性能的重要因素，通过真空模压成型技术可优化亚麻纤维结构件的结构、减少缺陷形成，进而提高亚麻纤维结构件的力学性能。本文以提高亚麻纤维结构件力学性能为主要目的，引入Kelly-Tyson模型，用以预测亚麻纤维结构件拉伸强度，根据缺陷形成机理，使用数值模拟方法和计算流体力学软件分别研究纤维体积分数、束间距、温度等成型参数对亚麻纤维结构件的拉伸强度和浸润特性的影响，并采用超声波技术强化亚麻纤维结构件拉伸强度，对亚麻纤维结构件的制备具有实际应用价值。
　　分析真空模压成型技术基本原理和技术特点，研究真空模压成型亚麻纤维结构件缺陷形成机理，分析得到影响缺陷形成的多种因素以及不同缺陷类型;通过数值模拟各影响因素对亚麻纤维结构件强度的影响，将亚麻纤维视为多孔介质区域，考虑多相流问题，建立树脂在亚麻纤维束内和纤维束间浸润的数学模型。
　　分析树脂在纤维束内采用多相多孔介质模型的浸润行为，树脂在纤维束间采用纯流体的浸润行为;两者之间的耦合区域采用单区域法处理，研究得到进口压力、纤维束间距和渗透率等对纤维束内和纤维束间树脂浸润的前沿变化规律。
　　自主设计建立真空模压成型实验系统和装置，制备亚麻纤维结构件;建立亚麻纤维结构件拉伸强度预测模型，针对纤维体积分数这一变量预测亚麻纤维结构件拉伸强度;通过预测值与实验值分析比较，检验模型的可靠性;分析研究超声波对环氧树脂基体的粘度和亚麻纤维结构件拉伸强度的影响，应用超声波处理技术对亚麻纤维结构件真空模压成型中的浸润过程进行强化。结果表明，超声波频率和处理时间对亚麻纤维结构件的拉伸强度具有显著影响。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 亚麻纤维结构件的破坏形式

1．3 真空模压技术中强度预测与仿真模拟的目的与意义

1．4 国内外VARTM成型技术应用研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 研究的主要内容

2 真空模压成型技术与树脂浸润数学模型的建立

2．1 真空模压成型技术

2．1．1 基本原理

2．1．2 技术特点

2．2 真空模压成型技术制件孔隙形成机理分析

2．2．1 树脂沿着纤维轴向浸润时气泡的形成

2．2．2 树脂沿着纤维径向浸润时气泡的形成

2．3 纤维束间模型的建立及求解

2．3．1 数学模型的建立

2．3．2 浸润控制方程离散及求解

2．4 纤维束间与束内流场数学模型的建立

2．4．1 基本假设

2．4．2 数学模型的建立

2．5 本章小结

3 基于Fluent树脂浸润特性分析

3．1 仿真基本参数设置

3．1．1 流动模型

3．1．2 流体材料属性

3．1．3 边界条件

3．2 纤维束间树脂浸润过程的仿真

3．2．1 纤维束间距对浸润前沿的影响

3．2．2 温度对树脂浸润前沿的影响

3．2．3 充填速度对浸润前沿形状的影响

3．3 纤维束间与束内浸润过程的仿真

3．3．1 填充速度对浸润前沿的影响

3．3．2 粘度对浸润前沿的影响

3．3．3 纤维束间距对浸润前沿的影响

3．4 本章小结

4 亚麻纤维结构件制备与超声波处理技术实验

4．1 亚麻纤维结构件的制备

4．1．1 结构件制备实验装置

4．1．2 制备亚麻纤维结构件的实验过程

4．2 结构件拉伸强度预测模型的建立及求解

4．2．1 结构件拉伸强度预测模型的建立

4．2．2 结构件拉伸强度预测模型的求解

4．2．3 亚麻纤维结构件拉伸强度实验

4．2．4 结构件拉伸强度预测值与实验值对比分析

4．3 超声波处理技术分析实验

4．3．1 超声波处理对树脂基体粘度的影响

4．3．2 超声波处理对亚麻纤维结构件断面形貌的影响

4．3．3 超声波处理对亚麻纤维结构件拉伸强度的影响

4．4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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