基于有限容积法的复合材料工字梁ADP成型温度场仿真研究

摘要

先进拉挤工艺（Advanced Pultrusion，简称 ADP）是一种重要的复合材料低成本自动化制造技术，具有生产效率高、制件长度不受尺寸限制、制件孔隙率低等优点。ADP工艺中，预浸料型材坯料直接进入高温模具，在有限长模具中快速升温和固化成为复合材料型材，非稳定温度场中预浸料的热-化学相当复杂、直接影响制件性能。然而目前ADP的工艺制定只能基于工程经验，并没有精确的理论支撑，这就使产品的质量不稳定、质量分散性大、废品率高。因此，研究复合材料在先进拉挤过程中的固化温度场、设计合理的固化工艺制度，对于改进工艺条件、提高产品质量、节约能源损耗等具有重要的现实意义。本文针对碳纤维增强环氧树脂复合材料的先进拉挤成型工艺，开展以下工作：
　　首先以树脂的固化动力学为理论基础，通过差示扫描量热实验（DSC）和 MATLAB的非线性拟合，求解了该环氧树脂的各项固化动力学参数，建立了该环氧树脂在非等温状态下的固化动力学方程。
　　然后根据先进拉挤工艺的工艺过程和工艺条件，结合环氧树脂的固化反应动力学方程和热传导的微分方程，建立了模拟碳纤维增强环氧树脂复合材料在先进拉挤过程中温度场和固化度场的数学模型，分析了边界条件与初始条件等各项要素，为温度场的数值模拟做了数学准备；通过对非等温状态下的差示扫描量热实验的数据分析，确定了该碳纤维增强环氧树脂复合材料在固化过程中的各项特征温度，并借助origin对数据进行处理发现，特征温度与升温速率呈现非常良好的线性关系，并以此为基础利用外推法确定了模拟过程的预处理温度和固化温度。
　　最后本文以典型的复合材料工字形地板梁为对象，基于有限容积法的理论基础，利用Microsoft Visual C++开发平台编写了先进拉挤工艺下的温度场数值模拟程序，研究了二维状态下具有非线性内热源的复合材料的热传导问题，分析了先进拉挤工艺下预浸料成型过程中温度和固化度的变化历程，为制定精确的工艺参数的作了理论支撑。本文详细模拟了复合材料在固化过程中同一制件不同时刻、不同纤维体积分数、不同尺寸制件最大厚度、不同固化时间、不同固化温度等情况下的温度场分布和固化度场分布，并找到了随着制件尺寸厚度的增加产生明显过热效应影响制件固化质量的临界厚度。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 复合材料在航空领域的应用

1.2 工字形地板梁概述

1.3 先进拉挤工艺概述

1.4 固化动力学概述与温度场数值模拟研究现状

1.5 有限容积法

1.6 课题研究意义及内容

第二章 树脂基体的固化动力学研究

2.1 差示扫描量热法原理及应用

2.2 环氧树脂的固化动力学机理

2.3 环氧树脂固化动力学实验

2.4 环氧树脂非等温固化反应动力学参数确定

2.5 本章小结

第三章 工字梁先进拉挤过程温度场与固化度场的非稳态数学模型

3.1 热传导模型的建立

3.2 基于有限容积法的二维热传导方程离散化

3.3 方程边界条件与初始条件确定

3.4 方程非线性源项的线性化处理

3.5 控制容积界面的导热系数

3.6 固化度场的离散化

3.7 线性代数方程组的求解

3.8 网格划分

3.9 固化工艺参数制定

3.10 材料属性

3.11 本文程序技术路线

3.12 本章小结

第四章 工字梁温度场与固化度场数值模拟结果与分析

4.1 同一型号不同时刻的温度场与固化度场分布

4.2 不同型号最大厚度处的温度与固化度对比

4.3 不同纤维体积分数的影响

4.4 不同固化时间的影响

4.5 不同固化温度的影响

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 后期工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文