考虑模具影响的复合材料固化过程数值模拟分析

摘要

纤维缠绕树脂基复合材料具有高比模量、高比强度、可设计性强和耐腐蚀性能好等特点，广泛应用于航空航天、军事、民用工程和能源输送等领域。在复合材料壳体固化成型过程中，温度的分布及变化会直接影响到复合材料的固化度分布及变化，进一步影响壳体的质量和性能。而模具对复合材料温度场的影响较大，精确的模拟模具与复合材料之间的热传递是对温度场进行分析的前提。复合材料壳体在固化过程中，材料的热胀冷缩效应、树脂的化学收缩以及复合材料与成型所用模具的热不匹配，均会导致复合材料发生固化变形，其中模具与复合材料之间的相互作用引起的固化变形较复杂。
　　本文以外固化工艺的复合材料管件为例对复合材料壳体的固化成型过程的传热和变形进行数值模拟分析，建立复合材料固化过程的热化学模型、固化反应动力学模型以及热应变和固化收缩应变模型，采用有限元方法对所建立的数学模型进行数值求解，并验证本文算法的正确性。基于有限元分析软件ANSYS和APDL语言创建复合材料固化过程中的热分析模块和固化变形分析模块，建立带模具的复合材料管件模型和两个基于不同假设不带模具建模的模型，分析固化过程中模具与复合材料之间的热交换，进一步分析模具材质对温度场和固化度场的影响。基于热分析的结果，在考虑热和化学收缩作用的前提下，分析模具与复合材料之间热不匹配导致的固化变形以及不同铺层角度对壳体固化变形的影响。
　　本文对不同材质模具对固化过程的影响分析表明，模具的比热和热传导系数均会对复合材料的温度场产生影响，当模具的热传导系数在一定范围内时，模具的热传导系数越大，复合材料的升温速率越快，同时降温速率也越快，温度峰值越低，当模具的热传导系数超出这一范围，模具的热传导系数的改变对复合材料各场的影响较小。对不同纤维铺层方式对固化变形的影响分析表明采用对称铺层比非对称铺层的变形量要小，采用恰当的铺层方式可以减小复合材料的固化变形。该研究为提高构件类壳体的成型效率、成型质量以及生产中模具的设计和优化提供了理论依据和分析方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 复合材料固化过程温度场模拟

1．2．2 复合材料固化过程固化变形模拟

1．3 论文主要研究内容

第2章 固化过程的数学模型

2．1 工艺原理介绍

2．2 热化学模型

2．3 树脂的固化反应动力学模型

2．4 热应变与化学收缩应变模型

2．5 固化过程的数值解法

2．6 模拟方法

2．7 算法验证

2．8 本章小结

第3章 基于ANSYS的数值模拟

3．1 参数设置

3．2 有限元模型的建立

3．2．1 定义单元类型

3．2．2 定义材料参数

3．2．3 建立几何模型

3．2．4 网格划分

3．2．5 设定约束条件

3．3 本章小结

第4章 固化过程的数值模拟分析

4．1 热分析的结果与分析

4．1．1 模型的温度场和固化度场分析

4．1．2 模型2的温度场和固化度场分析

4．1．3 模型3的温度和固化度场分析

4．1．4 三个模型温度随时间变化分析

4．2 对比分析模具对温度场和固化度场的影响

4．3 模具材质对结果的影响

4．4 复合材料固化变形分析

4．5 不同铺层方式对固化变形的影响

4．6 固化变形影响因素综合分析

4．7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢