树脂基复合材料曲面构件固化变形过程数值模拟

摘要

纤维增强型复合材料的应用逐渐由装备的非承力部位、次承力部位向大型主承力部位等关键结构部位转化，固化变形仿真模拟技术可以通过在设计阶段控制固化变形的复杂影响因素达到预测和控制复合材料大型构件固化变形的目的。现有固化变形仿真技术已经可以预测简单外形构件的固化变形，但还无法预测复杂曲面复合材料构件的固化变形。论文研究复杂厚曲面复合材料构件的固化变形问题，提出以计算流体力学求解复合材料材料坐标系的方法，搭建复杂曲面复合材料构件固化变形的多物理场耦合有限元仿真模型。
　　基于傅里叶热传导定律和固化反应动力学理论对AS4\3501-6复合材料层合板固化反应过程中温度场和固化度场的分布和变化历程进行分析，利用COMSOL软件搭建固化过程的热-化学模型，得到了层合板内部温度和固化度的变化历程。
　　分别研究固化过程中树脂基体和纤维增强体的物理参数演变规律，利用细观力学理论，搭建相应复合材料体系的物理参数变化模型。运用COMSOL软件，根据复合材料力学理论，在热-化学模型的基础上加入复合材料残余应力模块，搭建复合材料固化变形模型。
　　研究纳维-斯托克斯公式，通过对比纤维材料方向与流体定常流线之间的相似性，搭建用计算流体力学求解曲面复合材料曲面材料坐标系的模型。再将其与复合材料变形模型整合，组成曲面复合材料固化变形模型。
　　最后，利用光纤光栅应变测试系统和热电偶温度测试系统测试了一个曲面复合材料构件固化过程中应变和温度的变化历程，与曲面复合材料固化变形模型的仿真结果作对比，验证本文曲面复合材料固化变形模型的有效性。
　　本文搭建的曲面复合材料固化变形模型，填补了固化变形理论的研究空白，为复杂曲面复合材料结构固化变形问题的最终解决提供了一个可行之法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 复合材料概述

1．1．1 复合材料定义

1．1．2 复合材料的分类

1．1．3 纤维增强型复合材料发展历史

1．2 纤维增强型复合材料的应用现状与技术发展趋势

1．2．1 纤维增强型复合材料的应用现状与趋势

1．2．2 纤维增强型复合材料的技术发展动态

1．3 研究意义

1．4 复合材料固化变形仿真的国内外研究现状

1．4．1 树脂固化反应和其物理力学性能演变规律的研究现状

1．4．2 复合材料变形的形成、演变与固化变形的研究现状

1．4．3 复杂结构固化变形的研究现状

1．4．4 固化变形仿真方法的研究

1．5 课题的提出及研究内容

1．5．1 本课题的提出

1．5．2 本课题的研究内容

2 复合材料固化变形仿真理论基础

2．1 引言

2．2 固化变形模块化仿真

2．2．1 热-化学仿真模块

2．2．2 树脂流动-压实模块

2．2．2 残余应力-变形模块

2．2 各向异性弹性力学理论基础

2．2．1 力学平衡方程

2．2．2 几何方程

2．2．3 本构方程

2．4 复合材料固化变形数学模型

2．4．1 热-化学模型

2．4．2 固化动力学模型

2．4．3 残余应力模型

2．4．4 细观力学模型

2．5 坐标变换

2．6 多物理场仿真软件COMSOL介绍

2．7 本章小结

3 复合材料结构件固化变形的数值分析

3．1 引言

3．2 固化过程中复合材料的热物理性能变化

3．2．1 复合材料模量

3．2．2 密度

3．2．3 热膨胀系数

3．2．4 比热

3．2．5 热传导系数

3．2．6 热应变和固化收缩应变

3．3 复合材料固化场和温度场模拟算例

3．4 固化变形算例分析

3．5 本章小结

4 纳维-斯托克斯方程与复杂曲线坐标的构造

4．1 引言

4．2 厚截面曲面复合材料结构仿真难点问题

4．2．1 复合材料层合板理论与固化变形理论的“不匹配”问题

4．2．2 曲面坐标系问题

4．3 纳维-斯托克斯方程与曲面坐标系

4．3．1 纳维-斯托克斯方程在各个领域的应用

4．3．2 复合材料曲面坐标系

4．4 纳维-斯托克斯方程的物理含义

4．4．1 连续方程——质量守恒定律

4．4．2 连续方程——动量守恒定律

4．4．3 能量方程——能量守恒定律

4．4．4 流体状态方程

4．4．5 流线与迹线

4．5 纳维-斯托克斯方程的变形及曲面复合材料材料坐标系的构造

4．5．1 利用流线构造曲面坐标系

4．5．2 任意曲面复合材料结构的曲面坐标系

4．6 任意曲面复合材料构件的固化变形仿真

4．6．1 温度场

4．6．2 固化度场

4．6．3 固化变形

4．6．4 Von Mises内应力变化

4．7 本章小结

5 曲面复合材料构件实验研究

5．1 引言

5．2 实验方案

5．2．1 实验材料

5．2．2 原料配比

5．3 实验仪器

5．3．1 热压罐

5．3．2 传感器

5．3．3 数据采集及测控设备

5．4 试件制备

5．5 固化工艺过程

5．5 实验结果

5．6 实验结果与仿真结果的对比

5．6．1 仿真参数

5．6．2 仿真结果与试验结果的对比

5．7 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢