复合材料用纤维织物压缩与渗流性能表征方法研究

发布时间：2020-11-13 21:06

　　 充模效率低、产品质量不稳定、大尺寸大厚度构件一体成型困难等已成为复合材料液体模塑成型工艺面临的突出问题,削弱了其竞争优势。采用计算机虚拟制造技术优化生产工艺可改善复合材料微观结构均匀性、提高产品质量和制造精度,是提升复合材料设计、生产和应用水平、解决以上难题的可行途径。增强织物预成型体的压缩性能和渗透率是液体模塑成型工艺仿真的基础参数,是准确预测产品成型压力、纤维体积含量和力学性能的先决条件。因此,采用高效可靠的测试系统获取预成型体的相关性能,既是优化工艺、改善产品性能和发展一体成型技术的前提,又为液体模塑成型工艺在高端制造领域的应用奠定基础,具有重要意义。本文首先选取玻璃纤维多轴向无屈曲织物和斜纹织物为研究对象,对织物预成型体在压缩加载过程和应力松弛过程中的结构演化规律和影响因素进行了实验研究,结果用于厚度方向渗透率Kz测试系统的强度设计分析,完成了基于Darcy定律的Kz测试系统搭建,编写了实验进程控制、数据采集和数据处理软件,极大的减少了测试与分析的工作量。主要研究工作和结论如下:通过建立预成型体压缩加载过程和应力松弛过程应力预报模型,准确预测了织物预成型体压缩过程中所表现的力学特性。结果表明,本文建立的修正Gutowski模型能够准确预测压缩应力和纤维体积含量的关系,其参数可用于不同类型织物预成型体压缩性能对比,具有明确物理意义。提出了描述预成型体应力松弛过程的Maxwell多尺度并联模型,其预报结果和实验结果具有很好的一致性。建立的预报模型为成型工艺仿真、织物预成型体Kz测试系统的强度设计和测试结果分析提供了基础数据。根据Darcy定律搭建了厚度方向渗透率Kz测试系统,利用低成本小型传感器实现数据的实时采集。系统功能性验证结果表明:测试系统的设计与加工精度满足0.5%的要求;采取的有效措施可保持注射压力长期稳定;传感器的应用大大提高测试效率与准确性,解决了测试效率低、数据重复性差、实验周期长等问题,并给出了该Kz渗透率测试系统的标准操作步骤。开发了Kz渗透率测试系统配套软件,实现了所有实验数据的合并存储、实验曲线的输出和优选、实验报告生成和数据汇总分析等功能,提高了数据分析工作的效率,实现了自动化和高效、准确的数据处理目标,显著降低了数据分析的工作量。实验证明该测试系统精度高、软件运行稳定。测试结果表明,高压缩率水平下预成型体的Kz值的离散性明显小于低压缩率水平;提高注射压力,Kz值显著减小,表现出明显的压力依赖性。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

图 1-1 复合材料在商用飞机上的应用比重加拿大飞机制造商庞巴迪开创了将 LCM 工艺用于成型 C 系列和 Lea飞机复合材料机翼主承力构件的先河[3,4]，两者都是由碳纤维复合材料加筋的上下机翼蒙皮、前翼梁和后翼梁，各部件之间通过铝合金紧固件 1-2(b)所示，在一定压力下将树脂注入密闭模具中的单向或多向干态维织物（Non-crimpFabric,NCF）预成型体，在热压罐均匀的温度场和固化，可提高纤维体积含量，降低孔隙率（<1%），优化力学性能。既产效率，又解决了预浸料采购运输成本高和无法长期保存的问题。

2图 1-2 庞巴迪 C 系列飞机及其机翼的 LCM/热压罐成型俄罗斯联合飞机制造公司（UAC）设计生产的 MS-21[5-6]（也称 MC-21，图1-3）2017 年 5 月首飞，主要竞争对手有庞巴迪 C 系列、波音 B737MAX 系列空客 A320neo 系列和我国自主研发的首架大型商用飞机 C919。MS-21 机翼的翼梁、蒙皮壁板和中央翼盒 6 个截面壁板均采用 LCM 工艺成型，固化炉固化，彻

图1-3）2017 年 5 月首飞，主要竞争对手有庞巴迪 C 系列、波音 B737MAX 系列、空客 A320neo 系列和我国自主研发的首架大型商用飞机 C919。MS-21 机翼的翼梁、蒙皮壁板和中央翼盒 6 个截面壁板均采用 LCM 工艺成型，固化炉固化，彻
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本文编号：2882647