先進樹脂基復(fù)合材料以其高比強度和比模量、低密度、高韌性、耐腐蝕以及多樣化的工藝性等優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于國防、軍工、航空航天、建筑、化工、交通運輸、能源、機械電子、醫(yī)療、體育等眾多領(lǐng)域。熱壓罐成型工藝是航空航天制造企業(yè)廣泛采用的制造先進復(fù)合材料構(gòu)件的方法之一。其中,固化階段是材料成型過程中影響構(gòu)件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。樹脂基復(fù)合材料的固化過程具有非穩(wěn)態(tài)、非均勻、強耦合的特點,僅僅依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗和試驗方法難以實現(xiàn)復(fù)合材料整體化成型的高性能、低缺陷、低成本目標。仿真是復(fù)合材料固化研究領(lǐng)域常用且有效的方法之一。固化過程仿真模型的耦合方式、耦合程度、耦合完整性、計算尺度以及材料本構(gòu)方程的類型等直接影響著模擬結(jié)果的有效性和精確度。本文以樹脂基復(fù)合材料的熱壓罐固化工藝過程為研究對象,創(chuàng)建了一種完整性較強、耦合程度較高的復(fù)合材料固化過程的宏觀尺度耦合仿真模型;提出了復(fù)合材料固化行為仿真的細觀尺度計算新方法,建立了復(fù)合材料固化過程的細觀尺度多場耦合仿真模型;探討了固化工藝和鋪層設(shè)計對復(fù)合材料固化行為的影響規(guī)律;同時,研究分析了材料本構(gòu)方程對復(fù)合材料固化變形的影響。主要工作和結(jié)論包括以下幾個方面:(1)創(chuàng)建了一種完整性較強、耦合程度較高的樹脂基復(fù)合材料固化過程的宏觀尺度仿真模型。目前,大多數(shù)固化仿真模型都存在物理場耦合不完整、考慮因素不全面的問題。本文綜合考慮了溫度、壓力、纖維體積分數(shù)、層板厚度及材料性能參數(shù)等多種因素的影響作用,建立了集熱傳導(dǎo)、固化動力學(xué)、樹脂流動-壓實及固化變形于一體的完整性較高的復(fù)合材料固化過程的宏觀尺度仿真模型。這為全面分析和控制復(fù)合材料的固化行為提供了極為有效的方法。在模型驗證中,求解分析了AS4/3501-6預(yù)浸料在某一經(jīng)典固化工藝過程中的溫度、固化度、樹脂粘度、樹脂壓力、纖維體積分數(shù)、層板厚度、彈性模量、熱-化學(xué)應(yīng)變及殘余應(yīng)力的演變歷程和變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:所建模型有效地體現(xiàn)了復(fù)合材料固化過程中多個物理場之間的強弱耦合關(guān)系,并能夠完整、實時、準確地對樹脂基復(fù)合材料的固化過程進行計算模擬;有關(guān)AS4/3501-6預(yù)浸料的溫度、固化度和內(nèi)應(yīng)力的計算結(jié)果與文獻研究結(jié)果匹配良好。(2)提出了復(fù)合材料固化行為仿真的細觀尺度模擬新方法,建立了復(fù)合材料固化過程的細觀尺度仿真模型。由于宏觀尺度材料模型在計算過程中不區(qū)分增強纖維和樹脂基體的計算區(qū)域,而是利用細觀力學(xué)公式和混合率公式在復(fù)合材料的所有域上進行求解,因此,其計算結(jié)果存在較大的誤差。為了提高計算準確度,本文提出了固化仿真的細觀尺度計算新方法。在模型驗證中,數(shù)值模擬了USN125預(yù)浸料的固化過程,并與同等尺寸的宏觀尺度模型的計算結(jié)果進行了對比研究。結(jié)果表明:與宏觀尺度模型相比,細觀尺度材料模型更加符合實際復(fù)合材料的構(gòu)造,而且細觀尺度模型的計算結(jié)果更加精確,其求解的材料溫度和應(yīng)變值與非常文獻中FBG傳感器的測試結(jié)果非常接近。(3)探討分析了固化工藝和鋪層設(shè)計對復(fù)合材料固化行為的影響規(guī)律。固化工藝和鋪層設(shè)計直接影響著構(gòu)件的固化變形和成型質(zhì)量。由于模型考慮的因素有限,目前關(guān)于固化工藝和鋪層設(shè)計影響規(guī)律的研究還不夠全面和準確。本文建立了X850/T800復(fù)合材料層合板的固化過程仿真模型,并設(shè)計了三種研究方案探討分析固化工藝和鋪層設(shè)計對材料固化行為的影響。研究結(jié)果表明:工藝溫度、工藝壓力和鋪層設(shè)計是影響復(fù)合材料固化行為及固化質(zhì)量的關(guān)鍵因素;該項研究工作為復(fù)合材料固化工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了有效的方法和依據(jù),且對減小固化變形和提高固化質(zhì)量具有十分重要的意義。(4)研究分析了材料本構(gòu)方程對復(fù)合材料固化變形的影響作用。材料本構(gòu)方程是固化變形模塊的主要控制方程,直接影響著復(fù)合材料固化過程中殘余應(yīng)力和固化變形的預(yù)測結(jié)果。全面、準確地分析評估材料本構(gòu)方程對復(fù)合材料固化變形的影響作用,有助于本構(gòu)方程的正確利用和固化變形的預(yù)測研究。線彈性、CHILE(Cure Hardening Instaneously Linear Elastic,改良線彈性)和粘彈性本構(gòu)方程是三種常用的本構(gòu)方程。本文以AS4/3501復(fù)合材料的固化作為算例,對比分析了這三種本構(gòu)方程對復(fù)合材料的熱-化學(xué)應(yīng)變、殘余應(yīng)力及固化變形的影響作用,并從計算精度、運算時間和內(nèi)存占用量三方面進行了綜合評估。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):線彈性模型求解誤差很大,但運算時間短,內(nèi)存占用量小;粘彈性模型保證了較高的求解精度,但運算時間很長,內(nèi)存占用量也大;CHILE模型的綜合效能介于前二者之間。由此可見,這三種本構(gòu)方程各有優(yōu)缺點,在誤差允許的范圍內(nèi),可以根據(jù)具體情況適當(dāng)選擇利用。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景及意義
        1.1.1 課題背景
        1.1.2 課題意義
    1.2 樹脂基復(fù)合材料熱壓罐固化工藝過程仿真的研究狀況
        1.2.1 熱壓罐固化工藝過程的多物理場耦合特性及存在的問題
        1.2.2 熱壓罐固化工藝過程仿真的意義及其模擬方法
        1.2.3 熱壓罐固化工藝過程仿真的難點
    1.3 樹脂基復(fù)合材料固化過程仿真的研究現(xiàn)狀及存在的問題
        1.3.1 宏觀尺度耦合模擬的研究現(xiàn)狀及存在的問題
        1.3.2 細觀尺度耦合模擬的研究現(xiàn)狀及存在的問題
    1.4 課題創(chuàng)新點、研究內(nèi)容及研究方法
        1.4.1 課題創(chuàng)新點
        1.4.2 課題研究內(nèi)容
        1.4.3 課題研究方法
第2章 復(fù)合材料固化理論與數(shù)學(xué)建模
    2.1 引言
    2.2 復(fù)合材料固化理論
        2.2.1 彈性體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系
        2.2.2 粘彈性力學(xué)理論
        2.2.3 復(fù)合材料細觀力學(xué)理論
        2.2.4 復(fù)合材料熱物理性能的混合率公式
    2.3 有限元分析方法和仿真軟件介紹
        2.3.1 有限元分析方法
        2.3.2 COMSOL多物理場耦合仿真軟件
    2.4 復(fù)合材料固化過程數(shù)學(xué)建模
        2.4.1 熱傳導(dǎo)模型
        2.4.2 固化動力學(xué)模型
        2.4.3 樹脂流動-壓實模型
        2.4.4 固化變形模型
    2.5 本章小結(jié)
第3章 樹脂基復(fù)合材料固化行為的宏觀尺度耦合模擬
    3.1 引言
    3.2 宏觀尺度數(shù)值模擬方法
        3.2.1 數(shù)值模擬流程
        3.2.2 子模塊建立
    3.3 模型驗證
        3.3.1 構(gòu)建宏觀尺度材料模型
        3.3.2 網(wǎng)格劃分
        3.3.3 計算求解
    3.4 結(jié)果討論與分析
        3.4.1 溫度與固化度分析
        3.4.2 樹脂流動-壓實相關(guān)參數(shù)分析
        3.4.3 熱-化學(xué)應(yīng)變分析
        3.4.4 殘余應(yīng)力分析
        3.4.5 固化變形分析
    3.5 本章小結(jié)
第4章 樹脂基復(fù)合材料固化行為的細觀尺度耦合模擬
    4.1 引言
    4.2 細觀尺度數(shù)值模擬方法
    4.3 模型驗證
        4.3.1 構(gòu)建細觀尺度材料模型
        4.3.2 網(wǎng)格劃分
        4.3.3 計算求解
        4.3.4 建立宏觀尺度耦合仿真模型
    4.4 結(jié)果討論與分析
        4.4.1 溫度與固化度分析
        4.4.2 樹脂流動-壓實相關(guān)參數(shù)分析
        4.4.3 熱-化學(xué)應(yīng)變分析
        4.4.4 殘余應(yīng)力分析
    4.5 本章小結(jié)
第5章 固化工藝和鋪層設(shè)計對復(fù)合材料固化行為的影響分析
    5.1 引言
    5.2 研究方法
        5.2.1 模型建立
        5.2.2 研究方案
    5.3 結(jié)果討論與分析
        5.3.1 工藝溫度對溫度、固化度及熱應(yīng)變的影響分析
        5.3.2 工藝壓力對應(yīng)變、固化壓實行為和固化質(zhì)量的影響分析
        5.3.3 鋪層設(shè)計對溫度場和殘余應(yīng)力的影響分析
    5.4 本章小結(jié)
第6章 材料本構(gòu)方程對固化變形的影響分析
    6.1 引言
    6.2 研究方法
        6.2.1 數(shù)值模擬流程
        6.2.2 模型建立
    6.3 結(jié)果討論與分析
        6.3.1 熱-化學(xué)應(yīng)變分析
        6.3.2 殘余應(yīng)力分析
        6.3.3 固化變形分析
    6.4 本章小結(jié)
第7章 結(jié)論與展望
    7.1 工作總結(jié)
    7.2 研究展望
參考文獻
致謝
附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄

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