热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟

发布时间：2016-10-18 07:19

  本文关键词：热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

《山东大学》 2012年

热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟

王晓霞  

【摘要】：纤维增强树脂基复合材料具有比强度和比模量高、可设计性强、抗疲劳性和耐腐蚀性好以及便于整体成型等优点,已广泛用于航空航天、建筑、汽车、舰船、体育器材等领域。复合材料制品的性能很大程度上依赖于其制造工艺。树脂传递模塑(Resin Transfer Molding, RTM)因其具有的独特优势成为纤维增强树脂基复合材料的主要制备技术之一。针对国家中长期科技发展规划中确立的大飞机重大专项,开展纤维复合材料的树脂传递模塑制备技术研究,实现高性能、低缺陷、低成本目标,具有重大的现实意义。 RTM工艺的固化阶段是影响制品质量的关键环节之一。在固化过程中,由复合材料内部温度场和固化度场分布的不均匀性而引起的热应力以及固化收缩应力对复合材料的力学性能、形状以及尺寸稳定性有着较大的影响,可能导致复合材料层合板发生翘曲、基体开裂以及分层等现象。因此,复合材料的固化过程成为人们的研究重点之一 在固化过程中,复合材料的物理力学性能和内应力在时空间的分布具有非均匀、非稳态、强耦合的特点,需要揭示其演变规律,进而发展复合材料固化变形的调控机制。因此,本文以RTM工艺中热固性树脂的固化过程为研究对象,应用交联反应动力学理论、高分子交联反应统计理论、高聚物结构与性能理论、复合材料热-弹性理论、复合材料本构理论、数值传热学和有限元模拟方法等学科知识,开展树脂固化反应-交联结构-力学性能的集成研究。在此基础上分析复合材料的固化收缩应力和热应力的形成机制,数值模拟内应力的演变过程以及复合材料结构件的固化变形。然后分析各种工艺因素和结构因素对内应力和固化变形的影响方式和影响规律。引入局部灵敏度分析方法,定量分析复合材料制备过程中各种工艺因素和结构因素对固化变形的影响程度及规律。根据固化变形对其影响因素的局部灵敏度分析结果提出固化变形的调控方法。 主要工作与结论如下： 复合材料固化过程中形成的热应力主要是由复合材料的温度场控制的,而固化收缩应力主要是由复合材料的固化度场控制的。要掌握复合材料固化过程中产生的热应力和固化收缩应力,对复合材料温度场和固化度场的准确模拟是关键。本文根据热-化学模型和固化动力学模型的耦合计算,求解了复合材料的温度场和固化度场,分析了影响温度场和固化度场的影响因素,如固化工艺温度、对流换热系数、热传导系数、升温速率、材料厚度和纤维体积分数等。 在模拟温度场和固化度场的过程中,通过分析温度-时间-固化度之间的关系,发现在等固化条件下固化温度和固化时间的对数之间存在近似的线性关系。通过数据拟合,提出了一种简化固化动力学模型的新方法。在此基础上得到了时间-温度-固化度三者之间较为简单的关系式,简化了原先较为复杂的固化动力学方程。简化后的方程能够方便地用于工程实际,避免了繁琐的求解。 时间-温度-转变(Time-Temperature-Transformation, TTT)图是分析和设计固化过程的有用工具,具有重要的研究价值。大多数的TTT图都是通过分析大量的实验数据得出的,既费时又费力,而且还存在较大的系统误差。本文以一种具体的树脂体系为研究对象,通过数值模拟的方法预测得到了TTT图,大大节省了时间和成本。 复合材料的使用性能取决于其物理性能和力学性能,而材料结构是实现所需物理性能和力学性能的基础。从理论上来说,总可以找到某种材料结构来满足材料的某些性能需求。从应用的角度看,必须知道用于形成某种材料结构的加工工艺条件。同时,必须建立材料结构与材料性能之间的定量关系,从而既能够根据材料结构来定量地预测材料性能,又能够根据对材料性能的具体要求来确定材料结构。因此,进行材料的加工工艺—微观结构—宏观力学性能的集成研究,分析在具体的加工工艺条件下树脂结构、力学性能的演变过程,对于材料的开发、加工工艺的优化等方面都具有重要意义。本文结合高分子交联统计理论、树脂固化动力学、数值传热学等理论知识,建立了树脂固化过程的温度场、化学反应程度场和交联结构场的基本方程,分析了在固化反应过程中温度、固化反应程度、交联结构和力学性能等物理量的基本变化规律,实现了固化工艺-交联结构-力学性能之间诸多场量的集成研究。 分析了固化过程中复合材料的热物理性能变化,给出在固化过程中复合材料的模量、密度、热膨胀系数、比热、热传导系数等参数的计算方法及变化规律；然后结合一个具体的算例对比分析了在不同的固化工艺温度下,树脂及复合材料的弹性模量和剪切模量、收缩应变等物理量随时间的变化规律,并分析了在固化过程中复合材料内应力的形成及发展过程。 分析了影响复合材料结构件固化变形的工艺因素及结构因素,这些因素包括固化工艺温度、降温速率、对流换热系数、纤维体积分数、铺层方式、固化反应放热、固化收缩、层间纯树脂和树脂的粘弹效应等。任何一种树脂材料都或多或少具有粘弹效应,只是程度不同而已。在我们的研究中,由于计算机资源的限制和出于对计算时间的考虑,我们大多采用了线弹性模型。而在分析树脂的粘弹效应对固化变形的影响时,我们设计了几组对比算例,对比分析了线弹性模型和粘弹性模型的差异。研究发现,在复合材料纤维体积分数比较高、树脂固化收缩率比较低的情况下,采用线弹性和粘弹性两种模型计算的固化变形量差别不大,因为这时树脂的粘弹效应不显著。 在分析了各种工艺因素及结构因素对固化残余应力和固化变形的影响规律之后,为了研究工艺及结构参数对复合材料固化变形的影响程度,引入了局部灵敏度分析方法,量化了这些因素对固化变形的影响程度。结果表明：纤维体积分数、固化收缩率、铺层方式和固化工艺温度都对复合材料固化变形有着显著的影响。在采用局部灵敏度分析方法研究了各因素对固化变形的影响程度之后,根据局部灵敏度分析结果,着重针对对固化变形影响程度比较大的因素提出了调控固化变形的方法。

【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB332
【目录】：

目录4-8

CONTENTS8-12

摘要12-15

ABSTRACT15-19

本文创新和主要贡献19-20

符号说明20-26

第一章 绪论26-41

1.1 复合材料概述26-27

1.2 树脂传递模塑成型工艺27-28

1.3 固化变形研究现状28-33

1.3.1 树脂固化反应及其交联结构、物理力学性能演变的研究现状29-31

1.3.2 复合材料内应力形成与发展以及固化变形的研究现状31-33

1.4 课题的提出及研究内容33-36

1.4.1 课题的提出33-35

1.4.2 本课题的研究内容35-36

1.5 研究方案及技术路线36-39

1.5.1 研究方案36-37

1.5.2 技术路线37-39

1.6 本文的内容安排39-41

第二章 复合材料固化变形数值模拟的理论基础41-68

2.1 引言41

2.2 各向异性弹性力学理论基础41-44

2.2.1 平衡方程41

2.2.2 几何方程41-42

2.2.3 本构方程42-44

2.3 粘弹性力学理论基础44-50

2.3.1 粘弹性概述44-46

2.3.2 粘弹性材料的应力松弛问题46

2.3.3 粘弹性材料的时温等效原理46-47

2.3.4 麦克斯韦模型47

2.3.5 粘弹性模型的本构方程47-48

2.3.6 粘弹性模型的松弛模量48

2.3.7 粘弹性模型的刚度矩阵48-50

2.4 复合材料固化变形的数学建模50-61

2.4.1 热-化学模型50-51

2.4.2 固化动力学模型51-53

2.4.3 残余应力模型53-55

2.4.4 细观力学模型55-61

2.5 坐标变换61-63

2.6 有限元模拟方法以及软件COMSOL介绍63-66

2.6.1 有限元分析的基本思想63-64

2.6.2 COMSOL Multiphysics软件介绍64-66

2.7 本章小结66-68

第三章 固化过程温度场和固化度场的数值模拟68-107

3.1 引言68-69

3.2 复合材料温度场和固化度场的模拟69-94

3.2.1 算例1及其讨论69-87

3.2.2 算例2及其讨论87-94

3.3 树脂固化动力学模型简化的新方法94-100

3.3.1 n级动力学模型95-97

3.3.2 自催化动力学模型97-100

3.4 时间-温度-转变(TTT)图100-105

3.5 本章小结105-107

第四章 树脂固化工艺-交联结构-力学性能的集成研究107-125

4.1 树脂固化工艺-交联结构-力学性能集成研究的意义107

4.2 树脂交联结构的计算107-114

4.2.1 逐步聚合反应概述108-109

4.2.2 逐步聚合反应聚合物体系的重均分子量109-112

4.2.3 逐步聚合反应聚合物体系的数均分子量112

4.2.4 凝胶点112

4.2.5 溶胶和凝胶的质量分数112-113

4.2.6 交联浓度113

4.2.7 交联点之间的链段质量113-114

4.3 树脂力学性能的计算114

4.4 算例及其讨论114-124

4.4.1 树脂关键参数的演变规律115-118

4.4.2 树脂固化工艺参数与结构参数之间的相关性分析118-120

4.4.3 树脂固化工艺-交联结构-力学性能的相关性分析120-121

4.4.4 非等温固化工艺条件对交联结构和力学性能的影响121-124

4.5 本章小结124-125

第五章 复合材料结构件固化变形的数值分析125-181

5.1 引言125-126

5.2 固化过程中复合材料的热物理性能变化126-131

5.2.1 模量126-128

5.2.2 密度128

5.2.3 热膨胀系数128-129

5.2.4 比热129-130

5.2.5 热传导系数130-131

5.3 复合材料的固化度-体积-温度关系分析131-135

5.3.1 树脂的固化度-体积-温度关系概述131-132

5.3.2 CVT关系理论基础132-133

5.3.3 3501-6树脂和AS4/3501-6复合材料的CVT关系曲线133-135

5.4 固化变形算例分析135-148

5.4.1 固化工艺温度对树脂固化过程的影响136-138

5.4.2 复合材料等效模量的变化过程及特点138-142

5.4.3 内应力与固化变形142-148

5.5 复合材料固化变形的影响因素分析148-170

5.5.1 工艺因素对固化变形的影响149-153

5.5.2 纤维主导因素对固化变形的影响153-159

5.5.3 树脂主导因素对固化变形的影响159-170

5.6 固化变形对其影响因素的灵敏度分析170-172

5.6.1 灵敏度分析概述170-171

5.6.2 固化变形对其影响因素的局部灵敏度分析171-172

5.7 固化变形调控方法172-178

5.7.1 固化工艺温度的调控173-175

5.7.2 冷却方式的调控175-176

5.7.3 铺层方式的调控176-177

5.7.4 固化收缩率的调控177-178

5.8 本章小结178-181

第六章 结论与展望181-184

6.1 工作总结181-182

6.2 研究展望182-184

参考文献184-206

致谢206-208

攻读博士学位期间取得的研究成果208-210

攻读博士学位期间参与的科研项目210-212

附录212-226

学位论文评阅及答辩情况表226

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  本文关键词：热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：144243