热固性树脂基复合材料固化变形数值模拟分析

摘要

热固性树脂基复合材料以其质轻高强、可设计性好、便于整体成型等一系列优点在航空航天领域得到了极为广泛的应用。树脂基复合材料是十分理想的航空结构材料，先进复合材料的用量已成为衡量航空发展水平的重要标志之一。
　　固化阶段是决定复合材料产品性能的关键环节。热固性树脂基复合材料的固化过程是一个物理化学反应相互作用的过程，期间伴随着复杂的化学反应和能量交换。由于复合材料的热胀冷缩效应、树脂基体的化学收缩效应和模具等因素的影响，复合材料构件脱模之后往往会产生固化变形。固化变形对复合材料构件的性能有着极为不利的影响，固化变形的控制一直是复合材料结构设计和整体化成型的关键技术之一。通过数值模拟预测构件的固化变形，从而对工艺和结构参数进行优化设计，可以大大减小时间和原材料消耗，达到降低生产成本和缩短研制周期的目的。
　　本文重点研究了热效应和化学收缩效应对复合材料固化变形的影响。建立了热-化学耦合模型，得到了二维弧形构件和三维复合材料层板在固化过程中任意时刻的温度场和固化度场分布，并研究了固化工艺温度、升温速率和导热系数对温度场和固化度场的影响规律。研究发现，工艺温度较低、升温速率较慢、导热系数较大时，固化过程中温度场和固化度场较为均匀，更有利于提高构件的成型质量。在此基础之上，建立了与工艺过程相关的三维热-化学-弹性模型，得到了C形复合材料构件的回弹变形和复合材料层板的翘曲变形，并讨论了若干工艺参数和材料结构参数对内应力的发展和固化变形的影响，最后简要给出了减小固化变形的控制方法。结果表明，固化工艺温度、降温速率和导热系数对温度场和固化度场有较大的影响，但对于C形构件的回弹变形影响较小。纤维体积分数、层板厚度、树脂体积收缩率和铺层方式是影响复合材料层合板翘曲变形的主要因素。对于特定的材料和结构，对称铺层能有效减小层合板的翘曲变形。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 本文研究背景及意义

1.2 复合材料固化变形的影响因素分析

1.3复合材料固化变形的国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容及结构安排

第2章 固化变形数值模拟理论基础

2.1 引言

2.2热-化学模型

2.3细观力学模型

2.4固化工艺模型

2.5 复合材料物性参数模型

2.6 数值模拟技术路线

2.7 本章小结

第3章 温度场和固化度场的数值模拟

3.1 引言

3.2 数值算例1及其验证

3.3 固化工艺参数对温度场和固化度场的影响

3.4 数值算例2及其验证

3.5材料和结构参数对温度场和固化度场的影响

3.6本章小结

第4章 复合材料固化变形的数值模拟

4.1 引言

4.2 C形复合材料构件的回弹变形

4.3 复合材料层合板的翘曲变形

4.4 固化变形的控制

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢