先进复合材料格栅结构软模辅助共固化工艺研究

摘要

先进复合材料格栅结构(AGS)是一种综合了材料技术与结构设计优点的新型空间点阵结构，具有轻质高强、耐腐蚀、可设计、高损伤容限与环境鲁棒性等优点，已被广泛应用于航空、航天、轮船等运载器中，成为具有发展前景的新型承力结构构型之一。但由于其在制备过程中出现极其复杂的多物理场耦合行为，导致其制备工艺设计复杂、产品良品率低等问题，限制了其应用范围的扩大。本论文首先对AGS的制备工艺开展了相应的研究，在此基础上，提出了一种以硅橡胶为整体芯模的软模辅助共固化工艺改进方案;然后，分别采用实验和数值仿真的方法对其在制备过程中出现的多物理场耦合行为进行了研究，以验证该工艺方案的可行性，并提出了改进制备工艺的措施;最后，开发了相应的集成分析软件包AGSCURE，此软件包将为AGS的制各工艺参数设计提供一个有效的分析工具。本论文工作是国家自然科学基金重点项目“面向近空间飞行器的多功能超轻质结构设计优化理论”(90816025)和国家自然科学基金面上项目“先进复合材料网格结构共固化工艺与软模成型参数优化分析”(10702012)课题中的重要研究内容之一。
　　论文的主要研究内容和成果如下:
　　1.硅橡胶为整体芯模的软模辅助共固化工艺的实验研究和光纤布拉格光栅为传感器的在线监测方案探讨
　　(1)通过对典型AGS的软模辅助共固化工艺制备实验说明，硅橡胶整体芯模降低了芯模的制备、装配和定位要求，开槽底部连续硅橡胶产生的膨胀压力促进了肋骨预浸料中纤维床的压实，提高了网格肋骨与蒙皮间的连接质量，并简化了脱模操作。
　　(2)由布置于试件内自封装增敏型光纤布拉格光栅温度传感器和应变传感器监测结果证明，软模辅助共固化工艺在AGS制各中具有可行性与有效性。
　　2.先进复合材料格栅结构软模辅助共固化工艺的数值仿真研究
　　(1)由于目前先进复合材料的工艺力学研究，大部分分析模型仅考虑了先进复合材料结构，忽略了模具、辅助材料对其固化行为的影响，在某些情况下，这种简化模型将对软模辅助共固化工艺中AGS的温度传导问题产生较大误差。为此，作者提出了一种采用接触约束描述模具与辅助材料对AGS固化行为影响的方法，并以典型AGS的软模辅助共固化工艺为例，提出了实现在数值仿真中分析精度与计算效率间平衡的措施。
　　(2)由于在制备过程中树脂基体热力学性能变化、增强纤维与树脂基体间热力学性能不匹配和组成结构的各构件刚度差异等因素的影响，导致了先进复合材料结构成型后其残余应力分布的复杂性，为此，本文采用考虑松弛效应的等效弹性方法和复合材料细观力学理论实现了各向异性先进复合材料黏弹性行为的模拟，提高了现有先进复合材料残余应力发展分析模型的效率与精度，并以该模型研究了软模辅助共固化工艺中AGS残余应力的发展规律。
　　(3)在软模辅助共固化工艺中，准确确定工艺间隙是先进复合材料结构受到均匀、同步固化压力的保障，为此，本文采用弹性接触理论的有限元方法来设计硅橡胶芯模尺寸，并以典型算例研究了工艺间隙对AGS所受膨胀压力分布规律的影响。通过对比已有的热弹性方法设计结果，说明了该方法的优越性。
　　3.先进复合材料格栅结构软模辅助共固化工艺的集成分析程序包AGSCURE的开发和制备工艺参数研究
　　(1)基于上述实验和数值仿真研究的成果，开发了模拟AGS软模辅助共固化工艺过程的集成分析程序包AGSCURE，该软件包可用于AGS的工艺参数设计。
　　(2)基于AGSCURE软件包通过对典型AGS制备工艺过程的仿真和工艺参数研究，发现了AGS的几何因素对其固化行为和树脂流动行为影响的规律，如肋骨宽度对温度场分布的影响比肋骨高度明显，而树脂粘度变化对肋骨高度更敏感;热压釜提供的固化压力无法驱使尺寸较大AGS预浸料内发生有效的树脂流动与纤维床压实行为。
　　本论文所提出的软模辅助共固化工艺方案、分析模型、理论和所得到的结论将对AGS低成本、整体化制备工艺的设计和研究具有一定的工程和科学价值。

目录

声明

摘要

CONTENTS

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 先进复合材料格栅结构的发展

1．3 研究进展

1．4 制备工艺的研究现状

1．5 制备过程的数值仿真

1．6 光纤传感器的应用

1．7 本文的主要研究工作

2 软模辅助共固化工艺实验研究

2．1 引言

2．2 实验方案

2．2．1 实验材料

2．2．2 光纤传感器

2．2．3 试件的制备

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 温度变化

2．3．2 应变变化

2．4 本章小结

3 软模辅助共固化工艺中温度场研究

3．1 引言

3．2 热-化学分析理论

3．2．1 热传导方程

3．2．2 固化动力学模型

3．2．3 接触热阻

3．2．4 有限元列式与解法

3．3 数值解法与验证

3．4 结果与讨论

3．4．1 温度场与固化度场的模拟

3．4．2 固化制度的优化

3．4．3 尺寸对温度场和固化度场的影响

3．4．4 网格构形对温度场和固化度场的影响

3．5 本章小结

4 软模辅助共固化工艺中树脂流动研究

4．1 引言

4．2 流动压缩模型

4．2．1 树脂粘度

4．2．2 树脂流动

4．2．3 纤维床的变形

4．3 数值解法与验证

4．3．1 程序验证

4．3．2 树脂流动模拟

4．4 几何构型对树脂流动行为的影响

4．5 本章小结

5 软模辅助共固化工艺中残余应力发展研究

5．1 引言

5．2 分析模型

5．2．1 树脂基体弹性模量

5．2．2 体积收缩模型

5．2．3 先进复合材料力学性能参数预报模型

5．2．4 先进复合材料有效热膨胀系数模型

5．2．5 超弹性材料接触

5．2．6 数值解法

5．3 数值求解结果

5．3．1 模型验证

5．3．2 残余应力的发展

5．4 本章小结

6 软模辅助共固化工艺芯模设计研究

6．1 引言

6．2 工艺间隙的设计理论

6．3 芯模设计分析模型

6．4 数值分析结果

6．4．1 接触压力

6．4．2 工艺间隙的优化与影响因素

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

创新点摘要

致谢

作者简介