热塑性纤维铺放热传导及变角度层合板力学性能研究

发布时间：2020-03-28 04:52

【摘要】：热塑性复合材料纤维具有良好的焊接性、抗冲击韧性、可循环性、抗化学腐蚀性等优点,具有广阔的应用前景,其与原位固化技术相结合,可显著提高生产效率,降低生产成本,并且可以提高复合材料铺放构件的质量。目前热塑性纤维铺放成型技术已经开始用于各种航空航天器件中,并逐渐进入其它相关制造领域。运用自动铺放技术的热塑性纤维原位固化成型有望成为未来大飞机主承力部件的重要成型方法。本文以热塑性纤维铺放成型为研究背景,主要针对热塑性纤维铺放过程中涉及到的热传递行为、铺放构件层间性能、变角度轨迹规划及变角度层合板力学特性等问题进行了相关研究。在不同的工艺参数作用下,热塑性纤维内部的温度场变化十分复杂,且直接影响树脂结晶质量。因此,需要对铺层内的温度场进行研究。以热塑性纤维(AS4/PEEK,熔点温度343℃)铺放过程中热传递为研究对象,基于传热学理论,建立了热塑性纤维铺放瞬态二维热传递数学模型,确定了热传递模型的相关边界条件。由于模具初始温度影响铺放过程中的热传递效率,分析了首层铺放过程中铺放工艺参数及模具初始温度对首层铺层内温度场的影响规律,获得了铺层在铺放过程中的温度场变化规律,得到了加热温度、铺放速度、铺层数量与铺层内温度场之间的关系,获得了加热温度的合理范围。通过搭建热塑性纤维铺放平台对铺层间温度场进行了相关检测,验证了二维热传递模型的正确性。热塑性纤维铺放采用的是原位固化工艺技术,铺放成型后热塑性纤维铺放构件层间性能直接影响构件的力学性能。以紧密接触度、熔合度、熔合强度为研究对象,建立了表征层间性能的理论模型,获得了铺放工艺参数对层间性能的影响规律;根据均匀试验法原理设计并进行了铺放试验与层间性能测试,得到了各组试件层间剪切强度和孔隙率的数据。通过SEM对构件的断面层间进行观测,获得了纤维与树脂之间的熔合程度及破坏裂纹形貌。分析了铺放工艺参数对铺放构件的层间剪切强度和孔隙率的影响规律,同时以热塑性纤维铺放构件的剪切强度和孔隙率为目标,得到了最佳的铺放工艺参数及相应的剪切强度和孔隙率。铺放轨迹规划是制造热塑性复合材料层合板的关键因素。为了拓展变角度轨迹的设计范围,本文提出了一种基于二次Bezier曲线构建变角度参考轨迹的方法并建立了相应的数学模型。通过改变不同控制参数实现Bezier曲线分段独立控制,使得变角度的设计自由度大大增加。根据轨迹上任意点铺放角度的计算方法及相应曲率的计算公式,研究了变角度轨迹的变化形式、任意点纤维铺放角度及曲率值随着连接点参数β变化的规律,讨论了纤维铺放角度的变化形式。同时将二次Bezier曲线法与传统线性变角度法进行了对比分析,分别对两种变角度算法的可行性进行了分析,讨论了曲率变化对两种变角度轨迹的影响,确定了变角度铺层的构建形式,探究了丝束有效宽度与重叠随着连接点参数β的变化规律。此外,进行了二次Bezier曲线变角度轨迹铺放实验,验证了Bezier曲线法变角度轨迹规划的正确性。通过改变铺放轨迹中的铺放角度可以控制和调整纤维方向进而改变平面内的载荷分布,改变层合板内的应力和固有频率,最终获得理想的层合板力学性能。为了得到最佳的变角度层合板力学特性,本文以二次Bezier曲线定义纤维铺放参考路径来构建变角度层合板的有限元分析模型。分别对变角度层合板的应力、变形、屈曲特性及模态三方面进行了分析,研究了在压缩载荷作用下不同连接点参数β对变角度层合板面内的应力和变形的影响规律。以一阶屈曲载荷作为研究对象,探究了在均布力的作用下不同连接点参数β对变角度层合板一阶屈曲载荷性能的影响规律,分析了不同占比的初始几何缺陷对变角度层合板屈曲载荷的影响。研究了不同连接点参数β对变角度层合板固有频率的影响及变化规律。同时以一阶屈曲载荷和一阶频率为目标,获得了最佳的连接点参数β及对应的变角度层合板。
【图文】：

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[6]。图1-1所示为复合材料纤维铺放技术在航空业的应用实例。目前，我国在飞机制造中纤维增强型复合材料的使用量较少，即使是我国最新自主研发的大型客机C919，复合材料在机体结构中的使用率也仅为12%[7]。为了提升飞机的综合性能和应对节节攀升的燃油价格，中国商飞表示，下一个型号的国产大飞机会大幅增加复合材料的应用比例，计划可达到51%[8]。复合材料的特点和自动铺放技术的优势也在其它领域得到了应用，例如汽车制造行业、风电能源、新型建筑材料等[9, 10]。图 1-1 复合材料纤维铺放技术在航空业的应用实例Fig.1-1 Application example

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文目前，用于制造高性能飞机构件的材料主要是碳纤维增强型树脂基复合材料，占50%以上，图1-2所示为B787和A350型飞机的材料组成[11]。自动纤维铺放成型技术已经在飞机上进气道整流罩、发动机舱门、尾梁蒙皮、风扇叶片等零部件得到了应用[12]。据预测，未来商用飞机复合材料构件用量所占重量比将达70%-80%[13]。纤维自动铺放应用的材料主要为树脂基纤维复合材料，根据其树脂基体材料的不同，可分为热固性复合材料和热塑性复合材料。前者作为一种高强轻质材料已广泛应用于航空航天、舰船、交通运输等各种领域，在成型过程中热压罐固化技术受加工场地及构件大小的限制，并存在能耗高、成型时间长等缺点，制约了热固性复合材料的应用。相比于热固性复合材料，，热塑性复合材料的固化条件要求较低，同样具有良好的焊接性、抗冲击韧性、可循环性、抗化学腐蚀性等优点，具有广阔的应用前景，上世纪80年代就得到研究人员的重视，近些年来各国研究学者对其进行了广泛研究。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V261;TB33

【参考文献】