熱固性樹脂基復(fù)合材料的固化變形數(shù)值模擬
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《山東大學(xué)》 2012年
熱固性樹脂基復(fù)合材料的固化變形數(shù)值模擬
王曉霞
【摘要】:纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性和耐腐蝕性好以及便于整體成型等優(yōu)點(diǎn),已廣泛用于航空航天、建筑、汽車、艦船、體育器材等領(lǐng)域。復(fù)合材料制品的性能很大程度上依賴于其制造工藝。樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding, RTM)因其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的主要制備技術(shù)之一。針對(duì)國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃中確立的大飛機(jī)重大專項(xiàng),開展纖維復(fù)合材料的樹脂傳遞模塑制備技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)高性能、低缺陷、低成本目標(biāo),具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 RTM工藝的固化階段是影響制品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在固化過程中,由復(fù)合材料內(nèi)部溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)分布的不均勻性而引起的熱應(yīng)力以及固化收縮應(yīng)力對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能、形狀以及尺寸穩(wěn)定性有著較大的影響,可能導(dǎo)致復(fù)合材料層合板發(fā)生翹曲、基體開裂以及分層等現(xiàn)象。因此,復(fù)合材料的固化過程成為人們的研究重點(diǎn)之一 在固化過程中,復(fù)合材料的物理力學(xué)性能和內(nèi)應(yīng)力在時(shí)空間的分布具有非均勻、非穩(wěn)態(tài)、強(qiáng)耦合的特點(diǎn),需要揭示其演變規(guī)律,進(jìn)而發(fā)展復(fù)合材料固化變形的調(diào)控機(jī)制。因此,本文以RTM工藝中熱固性樹脂的固化過程為研究對(duì)象,應(yīng)用交聯(lián)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論、高分子交聯(lián)反應(yīng)統(tǒng)計(jì)理論、高聚物結(jié)構(gòu)與性能理論、復(fù)合材料熱-彈性理論、復(fù)合材料本構(gòu)理論、數(shù)值傳熱學(xué)和有限元模擬方法等學(xué)科知識(shí),開展樹脂固化反應(yīng)-交聯(lián)結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能的集成研究。在此基礎(chǔ)上分析復(fù)合材料的固化收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力的形成機(jī)制,數(shù)值模擬內(nèi)應(yīng)力的演變過程以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的固化變形。然后分析各種工藝因素和結(jié)構(gòu)因素對(duì)內(nèi)應(yīng)力和固化變形的影響方式和影響規(guī)律。引入局部靈敏度分析方法,定量分析復(fù)合材料制備過程中各種工藝因素和結(jié)構(gòu)因素對(duì)固化變形的影響程度及規(guī)律。根據(jù)固化變形對(duì)其影響因素的局部靈敏度分析結(jié)果提出固化變形的調(diào)控方法。 主要工作與結(jié)論如下: 復(fù)合材料固化過程中形成的熱應(yīng)力主要是由復(fù)合材料的溫度場(chǎng)控制的,而固化收縮應(yīng)力主要是由復(fù)合材料的固化度場(chǎng)控制的。要掌握復(fù)合材料固化過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和固化收縮應(yīng)力,對(duì)復(fù)合材料溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬是關(guān)鍵。本文根據(jù)熱-化學(xué)模型和固化動(dòng)力學(xué)模型的耦合計(jì)算,求解了復(fù)合材料的溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng),分析了影響溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)的影響因素,如固化工藝溫度、對(duì)流換熱系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、升溫速率、材料厚度和纖維體積分?jǐn)?shù)等。 在模擬溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)的過程中,通過分析溫度-時(shí)間-固化度之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在等固化條件下固化溫度和固化時(shí)間的對(duì)數(shù)之間存在近似的線性關(guān)系。通過數(shù)據(jù)擬合,提出了一種簡(jiǎn)化固化動(dòng)力學(xué)模型的新方法。在此基礎(chǔ)上得到了時(shí)間-溫度-固化度三者之間較為簡(jiǎn)單的關(guān)系式,簡(jiǎn)化了原先較為復(fù)雜的固化動(dòng)力學(xué)方程。簡(jiǎn)化后的方程能夠方便地用于工程實(shí)際,避免了繁瑣的求解。 時(shí)間-溫度-轉(zhuǎn)變(Time-Temperature-Transformation, TTT)圖是分析和設(shè)計(jì)固化過程的有用工具,具有重要的研究?jī)r(jià)值。大多數(shù)的TTT圖都是通過分析大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的,既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,而且還存在較大的系統(tǒng)誤差。本文以一種具體的樹脂體系為研究對(duì)象,通過數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)得到了TTT圖,大大節(jié)省了時(shí)間和成本。 復(fù)合材料的使用性能取決于其物理性能和力學(xué)性能,而材料結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)所需物理性能和力學(xué)性能的基礎(chǔ)。從理論上來說,總可以找到某種材料結(jié)構(gòu)來滿足材料的某些性能需求。從應(yīng)用的角度看,必須知道用于形成某種材料結(jié)構(gòu)的加工工藝條件。同時(shí),必須建立材料結(jié)構(gòu)與材料性能之間的定量關(guān)系,從而既能夠根據(jù)材料結(jié)構(gòu)來定量地預(yù)測(cè)材料性能,又能夠根據(jù)對(duì)材料性能的具體要求來確定材料結(jié)構(gòu)。因此,進(jìn)行材料的加工工藝—微觀結(jié)構(gòu)—宏觀力學(xué)性能的集成研究,分析在具體的加工工藝條件下樹脂結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的演變過程,對(duì)于材料的開發(fā)、加工工藝的優(yōu)化等方面都具有重要意義。本文結(jié)合高分子交聯(lián)統(tǒng)計(jì)理論、樹脂固化動(dòng)力學(xué)、數(shù)值傳熱學(xué)等理論知識(shí),建立了樹脂固化過程的溫度場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)程度場(chǎng)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的基本方程,分析了在固化反應(yīng)過程中溫度、固化反應(yīng)程度、交聯(lián)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等物理量的基本變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了固化工藝-交聯(lián)結(jié)構(gòu)-力學(xué)性能之間諸多場(chǎng)量的集成研究。 分析了固化過程中復(fù)合材料的熱物理性能變化,給出在固化過程中復(fù)合材料的模量、密度、熱膨脹系數(shù)、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)的計(jì)算方法及變化規(guī)律;然后結(jié)合一個(gè)具體的算例對(duì)比分析了在不同的固化工藝溫度下,樹脂及復(fù)合材料的彈性模量和剪切模量、收縮應(yīng)變等物理量隨時(shí)間的變化規(guī)律,并分析了在固化過程中復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力的形成及發(fā)展過程。 分析了影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化變形的工藝因素及結(jié)構(gòu)因素,這些因素包括固化工藝溫度、降溫速率、對(duì)流換熱系數(shù)、纖維體積分?jǐn)?shù)、鋪層方式、固化反應(yīng)放熱、固化收縮、層間純樹脂和樹脂的粘彈效應(yīng)等。任何一種樹脂材料都或多或少具有粘彈效應(yīng),只是程度不同而已。在我們的研究中,由于計(jì)算機(jī)資源的限制和出于對(duì)計(jì)算時(shí)間的考慮,我們大多采用了線彈性模型。而在分析樹脂的粘彈效應(yīng)對(duì)固化變形的影響時(shí),我們?cè)O(shè)計(jì)了幾組對(duì)比算例,對(duì)比分析了線彈性模型和粘彈性模型的差異。研究發(fā)現(xiàn),在復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)比較高、樹脂固化收縮率比較低的情況下,采用線彈性和粘彈性兩種模型計(jì)算的固化變形量差別不大,因?yàn)檫@時(shí)樹脂的粘彈效應(yīng)不顯著。 在分析了各種工藝因素及結(jié)構(gòu)因素對(duì)固化殘余應(yīng)力和固化變形的影響規(guī)律之后,為了研究工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料固化變形的影響程度,引入了局部靈敏度分析方法,量化了這些因素對(duì)固化變形的影響程度。結(jié)果表明:纖維體積分?jǐn)?shù)、固化收縮率、鋪層方式和固化工藝溫度都對(duì)復(fù)合材料固化變形有著顯著的影響。在采用局部靈敏度分析方法研究了各因素對(duì)固化變形的影響程度之后,根據(jù)局部靈敏度分析結(jié)果,著重針對(duì)對(duì)固化變形影響程度比較大的因素提出了調(diào)控固化變形的方法。
【關(guān)鍵詞】:
【學(xué)位授予單位】:山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2012
【分類號(hào)】:TB332
【目錄】:
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7 王曼霞,趙稼祥;碳纖維的發(fā)展、問題與對(duì)策[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2000年01期
8 保庚,楊福江;纏繞張力公式的研究[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2000年06期
9 鄭安吶,胡福增;樹脂基復(fù)合材料界面結(jié)合的研究I:界面分析及界面剪切強(qiáng)度的研究方法[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2004年05期
10 王永貴;梁憲珠;曹正華;張博明;戴福洪;張鋮;;熱壓罐工藝成型先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件的溫度場(chǎng)研究綜述[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2009年03期
中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前9條
1 王榮霞;節(jié)段接縫剪切變形及其在樁—土—橋梁體系中的影響效應(yīng)研究[D];天津大學(xué);2009年
2 沈小燕;光纖光柵應(yīng)變傳感及擴(kuò)大應(yīng)變傳感范圍的技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2010年
3 許家忠;內(nèi)固化高壓玻璃鋼管制造工藝及技術(shù)研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2007年
4 張敏;碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度關(guān)鍵影響因素研究[D];山東大學(xué);2010年
5 王大明;乙炔基封端聚酰亞胺及其復(fù)合材料的增韌研究[D];吉林大學(xué);2010年
6 岳廣全;整體化復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)固化變形模擬及控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年
7 田恒;基于FBG傳感器的碳纖維復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力研究[D];武漢理工大學(xué);2012年
8 劉長(zhǎng)威;苯乙炔封端三分支酰亞胺基體樹脂及其碳纖維復(fù)合材料的研究[D];吉林大學(xué);2013年
9 李昭銳;PAN基碳纖維表面物理化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)其氧化行為的影響研究[D];北京化工大學(xué);2013年
中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條
1 楊青;基于粘彈性理論高分子材料形狀記憶過程的有限元數(shù)值模擬[D];同濟(jì)大學(xué);2007年
2 簡(jiǎn)多;光子晶體光纖特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];重慶大學(xué);2013年
3 劉夢(mèng)微;基于GPS的橋梁變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究[D];東華理工大學(xué);2013年
【二級(jí)參考文獻(xiàn)】
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2 段華軍,馬會(huì)茹,王鈞;RTM工藝國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2000年05期
3 高國(guó)強(qiáng),薛忠民;RTM工藝過程缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2001年02期
4 張少春,陸關(guān)興,黃懌,張偉東;RTM充模過程的數(shù)值模擬[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;1996年06期
5 楊正林,陳浩然;層合板在固化全過程中瞬態(tài)溫度場(chǎng)及固化度的有限元分析[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;1997年03期
6 陳繼榮,王井崗,焦揚(yáng)聲;改性雙馬來酰亞胺樹脂的固化工藝研究[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;1998年03期
7 劉潤(rùn)山;發(fā)展中的雙馬來酰亞胺型先進(jìn)復(fù)合材料基體樹脂[J];材料工程;1991年01期
8 段躍新;姚福軍;張佐光;;RTM工藝模擬及干斑缺陷控制研究[J];材料工程;2006年S1期
9 李萍,陳祥寶;RTM技術(shù)的發(fā)展及在航空工業(yè)的應(yīng)用[J];材料工程;1998年01期
10 賈玉璽,原波,楊俊英,安立佳;樹脂傳遞模塑過程的數(shù)學(xué)描述和數(shù)值模擬進(jìn)展[J];材料研究學(xué)報(bào);2005年05期
中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條
1 王繼輝;邱桂杰;;LCM成型工藝中氣泡形成機(jī)理[A];第十四屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2001年
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