纤维复合材料结构固化变形过程的有限元模拟及在线监测
发布时间：2021-11-09 02:06
纤维增强树脂基复合材料由于轻质、高强和可设计性好的优势而被广泛应用,尤其是整体化成型技术的发展,使得紧固件的数量大幅下降,在提高结构承载力和密封性的同时降低了成本。可以说高效复合材料的实现依赖于结构的整体化,常见的加筋壁板、蜂窝夹层结构和发动机整流罩等均会采用整体化成型工艺。但复合材料结构件的大型化、整体化也使得固化变形问题更加突出,而探索复合材料结构件的固化变形机理可以为提高复合材料的成型质量和装配精度打下坚实的基础,有助于复合材料的低成本、高质量制造和大范围应用,具有重要的研究意义与价值。本文借助ABAQUS软件及其子程序对复合材料结构件的固化成型过程进行了仿真模拟,通过热传导-化学模型和三维黏弹性本构模型的顺序耦合分析了温度、固化度、应力、应变及变形的时间演变和空间分布规律,并通过与文献和实验结果的对比验证了模型的可靠性。首先,从简单的蜂窝夹芯板入手,为了对其固化成型过程进行光纤光栅监测,在原有成型工艺的基础上增加了预固化过程,结果表明增加预固化过程可使光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感器能在一定程度上捕捉到升温阶段的应变。另外,为了研究不同铺层...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２两种机型上各种材料的占比．（ａ）Ｂ７８７；?（ｂ）Ａ３５０??Ｆｉｇ．?１－２?Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅａｃｈ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｉｎ?ｔｗｏ?ｔ＞?ｐｅｓ?ｏｆ?ａｉｒｃｒａｆｔｓ．?（ａ）Ｂ７８７；?（ｂ）Ａ３５０??１．１．２?固化变形的产生及控制??纤维复合材料的低成本、高质量制造一直是研究的重点，而复合材料的固化??
?山东大学硕士学位论文???构的强度和疲劳寿命，甚至造成零件报废［２］。??纤维复合材料固化变形的原因有很多，总的来说可以分为内部因素和外部因??素，如图１－３所示。??Ｃ?固化变形??５３?Ｉ外因｜??Ｉ?Ｉ???＊热膨胀系数各向异性＊模具件相互作用??？?Ｗ?化收缩??＂／?：?？四化工艺??？儿何形状及尺寸?ｕｒｎ髓／时间、开降温速率等??？铺层顺序?ｊ?？其他因素??纤维体枳含最梯度等???图１－３固化变形产生的原因??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｅ?ｒｅａｓｏｎ?ｆｏｒ?ｃｕｒｉｎｇ?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ??内部因素主要是指材料的木征属性、几何形状和铺层顺序。??在复合材料的本征属性方面，Ｒａｄｆｏｒｄ等［６Ｈ人为复合材料本身热膨胀和化学??收缩系数等参数的各向异性使得层内和层间不同方向上变形不一致，这是导致固??化变形的主要原因之一。在几何形状方面，平板件和带有曲面的结构件（Ｌ／Ｖ／Ｔ??型等）其变形有明显的不同，准各向同性铺层（［４５／０／－４５／９０］ｓ）的平板件通常会产??生翘曲变形，变形后为典型的鞍状［＇而带有拐角的结构件往往会发生回弹变形，??存在ｓｐｒｉｎｇ－ｉｎ的行为＾而长度、厚度、拐角角度、拐角半径等几何因素均会对??最终的变形产生影响。对于平板件来说，研究［８］发现其翘曲大小与长度的三??次方成正比。而对于Ｌ型结构件来说，法兰长度是影响其ｓｐｎｎｇ－ｉｎ行为的重要??参数；：＾？口３等［１１］通过热压罐成型制备了单向铺层、准各向同性铺层和正交铺??层的Ｌ型结构件，发现其平均变形量及其分散性与〇度铺层数有关，包含〇度??铺层的平均变形量和分散性更校不同铺层顺序
?山东大学硕士学位论文???时间短和环境友好的优点。但低温下固化也会导致界面性能低的问题，而且在复??杂形状和大厚度的零件制造方面有一定困难紫外辐射固化具有固化速度快、??固化收缩孝黏度低、黏合力好和热稳定的优点。但只适用于由透明增强材料和??透明树脂构成的复合材料的固化［２６］。而微波固化能够同时加热整个材料，因而可??以大幅减少变形、提高固化效率，但绝大部分环氧树脂固化体系的吸波能力很弱，??固化均匀性难以保证［２７］。??不同控制变形方法的相对效果展示在图１－５中＠１，可见型面补偿法是现今最??有效的方法之一，其次，调整零件厚度、铺层顺序和尺寸的效果也比较好。??１?－?—??０?？????１?－?§??ＣＤ?—?ＴＯ??§?■?Ｉ?．１??＜２?＿?＝?Ｅ?ｘｓ??ｅｇ?￡?５??名－１?￣￣?Ｉ?１??３．｜?Ｓ?￣￣｜ｐ—｜?ＪＬ＿?Ｉ??〇?－?５?５?〇＞?￡??〇?－?ｓ?＾?ｓ＊?Ｉ?Ｉ?Ｓ??５?－?ｇ?５?＾?〇?Ｉ?〇?Ｓ??＿①沄努?Ｅ?Ｉ?Ｉ??■?ａ?＾?（〇?ａ?￡?ｉ２??－４１?１?Ｍ?１?Ｍ?１?Ｍ?１?Ｍ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?＾?Ｉ?＾?Ｉ?＾??Ｍｅｔｈｏｄ??图１－４不同控制变形方法的相对效果图??Ｆｉｇ．?１－４?Ｒｅｌａｔｉｖｅ?ｅｆｆｅｃｔ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄｓ??１．２国内外研究现状??１．２．１固化过程的数值模拟研究现状??鉴于型面补偿法耗时耗力，若能准确预测复合材料的固化变形情况，就不必??通过反复试验来调整模具。数值模拟方法
【参考文献】：
期刊论文
[1]高强度光纤光栅与碳纤维的复合及应变传感特性研究[J]. 侯智懿,李彦,邵洪峰,朱元林. 半导体光电. 2020(01)
[2]玻纤增强尼龙6复合材料RTM工艺传热–反应过程的数值模拟[J]. 孙华,薛平,陈轲,贾明印. 工程塑料应用. 2019(07)
[3]大型复杂双曲率复合材料构件固化变形关键问题分析[J]. 彭艳敏,杨亮,韩强儒,陈金平,武杰. 航空制造技术. 2019(13)
[4]纤维增强复合材料固化变形的研究与控制综述（英文）[J]. Jiao-yuan LIAN,Zhong-bin XU,Xiao-dong RUAN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2019(05)
[5]模具形式对V型结构复合材料固化变形的影响[J]. 祝君军,文琼华,罗辑,李博,王乾. 宇航材料工艺. 2018(05)
[6]纤维体积含量和富树脂对复合材料V型结构固化变形的影响[J]. 王乾,关志东,蒋婷,王仁宇. 复合材料学报. 2018(03)
[7]YPH-23环氧树脂/预浸料的等温固化动力学研究[J]. 曾理然,湛利华. 化工新型材料. 2016(06)
[8]光纤布拉格光栅监测CF3052/5224复合材料成型过程研究[J]. 张金栋,于海涛,李龙,王庆有,魏鹏,肇研. 材料科学与工艺. 2015(04)
[9]基于材料性能时变特性的复合材料固化过程多场耦合数值模拟[J]. 元振毅,王永军,张跃,杨选宏,王俊彪,魏生民. 复合材料学报. 2015(01)
[10]结构因素对复合材料典型结构件固化变形影响[J]. 贾丽杰,叶金蕊,刘卫平,王长春,张博明. 复合材料学报. 2013(S1)
博士论文
[1]碳纤维增强聚合物基复合材料雷击损伤的电—热—化学—力耦合分析[D]. 董琪.山东大学 2019
[2]热固性树脂基复合材料固化变形数值模拟和理论研究[D]. 丁安心.武汉理工大学 2016
[3]热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟[D]. 王晓霞.山东大学 2012
硕士论文
[1]光纤布拉格光栅结构设计、刻制及性能研究[D]. 孙蜜雪.南京邮电大学 2019
[2]多轴向玻纤复合材料力学性能的温度效应研究[D]. 杨晓日.内蒙古工业大学 2019
[3]热固性树脂基复合材料构件的固化变形仿真研究[D]. 包正弢.中国民用航空飞行学院 2019
[4]高温应变FBG传感器的设计及封装技术[D]. 张亮.中国计量大学 2017
[5]碳纤维复合材料C型梁制造变形预测与控制[D]. 晏冬秀.上海交通大学 2016
[6]复合材料热压罐固化变形及压实过程分析[D]. 赵书婧.哈尔滨工业大学 2011
[7]复合材料结构固化变形分析及其控制[D]. 庞杰.南京航空航天大学 2010
[8]CFRP拉挤工艺过程模拟与热应变分析[D]. 刘淼.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3484427
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２两种机型上各种材料的占比．（ａ）Ｂ７８７；?（ｂ）Ａ３５０??Ｆｉｇ．?１－２?Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅａｃｈ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｉｎ?ｔｗｏ?ｔ＞?ｐｅｓ?ｏｆ?ａｉｒｃｒａｆｔｓ．?（ａ）Ｂ７８７；?（ｂ）Ａ３５０??１．１．２?固化变形的产生及控制??纤维复合材料的低成本、高质量制造一直是研究的重点，而复合材料的固化??
?山东大学硕士学位论文???构的强度和疲劳寿命，甚至造成零件报废［２］。??纤维复合材料固化变形的原因有很多，总的来说可以分为内部因素和外部因??素，如图１－３所示。??Ｃ?固化变形??５３?Ｉ外因｜??Ｉ?Ｉ???＊热膨胀系数各向异性＊模具件相互作用??？?Ｗ?化收缩??＂／?：?？四化工艺??？儿何形状及尺寸?ｕｒｎ髓／时间、开降温速率等??？铺层顺序?ｊ?？其他因素??纤维体枳含最梯度等???图１－３固化变形产生的原因??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｅ?ｒｅａｓｏｎ?ｆｏｒ?ｃｕｒｉｎｇ?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ??内部因素主要是指材料的木征属性、几何形状和铺层顺序。??在复合材料的本征属性方面，Ｒａｄｆｏｒｄ等［６Ｈ人为复合材料本身热膨胀和化学??收缩系数等参数的各向异性使得层内和层间不同方向上变形不一致，这是导致固??化变形的主要原因之一。在几何形状方面，平板件和带有曲面的结构件（Ｌ／Ｖ／Ｔ??型等）其变形有明显的不同，准各向同性铺层（［４５／０／－４５／９０］ｓ）的平板件通常会产??生翘曲变形，变形后为典型的鞍状［＇而带有拐角的结构件往往会发生回弹变形，??存在ｓｐｒｉｎｇ－ｉｎ的行为＾而长度、厚度、拐角角度、拐角半径等几何因素均会对??最终的变形产生影响。对于平板件来说，研究［８］发现其翘曲大小与长度的三??次方成正比。而对于Ｌ型结构件来说，法兰长度是影响其ｓｐｎｎｇ－ｉｎ行为的重要??参数；：＾？口３等［１１］通过热压罐成型制备了单向铺层、准各向同性铺层和正交铺??层的Ｌ型结构件，发现其平均变形量及其分散性与〇度铺层数有关，包含〇度??铺层的平均变形量和分散性更校不同铺层顺序
?山东大学硕士学位论文???时间短和环境友好的优点。但低温下固化也会导致界面性能低的问题，而且在复??杂形状和大厚度的零件制造方面有一定困难紫外辐射固化具有固化速度快、??固化收缩孝黏度低、黏合力好和热稳定的优点。但只适用于由透明增强材料和??透明树脂构成的复合材料的固化［２６］。而微波固化能够同时加热整个材料，因而可??以大幅减少变形、提高固化效率，但绝大部分环氧树脂固化体系的吸波能力很弱，??固化均匀性难以保证［２７］。??不同控制变形方法的相对效果展示在图１－５中＠１，可见型面补偿法是现今最??有效的方法之一，其次，调整零件厚度、铺层顺序和尺寸的效果也比较好。??１?－?—??０?？????１?－?§??ＣＤ?—?ＴＯ??§?■?Ｉ?．１??＜２?＿?＝?Ｅ?ｘｓ??ｅｇ?￡?５??名－１?￣￣?Ｉ?１??３．｜?Ｓ?￣￣｜ｐ—｜?ＪＬ＿?Ｉ??〇?－?５?５?〇＞?￡??〇?－?ｓ?＾?ｓ＊?Ｉ?Ｉ?Ｓ??５?－?ｇ?５?＾?〇?Ｉ?〇?Ｓ??＿①沄努?Ｅ?Ｉ?Ｉ??■?ａ?＾?（〇?ａ?￡?ｉ２??－４１?１?Ｍ?１?Ｍ?１?Ｍ?１?Ｍ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?＾?Ｉ?＾?Ｉ?＾??Ｍｅｔｈｏｄ??图１－４不同控制变形方法的相对效果图??Ｆｉｇ．?１－４?Ｒｅｌａｔｉｖｅ?ｅｆｆｅｃｔ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄｓ??１．２国内外研究现状??１．２．１固化过程的数值模拟研究现状??鉴于型面补偿法耗时耗力，若能准确预测复合材料的固化变形情况，就不必??通过反复试验来调整模具。数值模拟方法
【参考文献】：
期刊论文
[1]高强度光纤光栅与碳纤维的复合及应变传感特性研究[J]. 侯智懿,李彦,邵洪峰,朱元林. 半导体光电. 2020(01)
[2]玻纤增强尼龙6复合材料RTM工艺传热–反应过程的数值模拟[J]. 孙华,薛平,陈轲,贾明印. 工程塑料应用. 2019(07)
[3]大型复杂双曲率复合材料构件固化变形关键问题分析[J]. 彭艳敏,杨亮,韩强儒,陈金平,武杰. 航空制造技术. 2019(13)
[4]纤维增强复合材料固化变形的研究与控制综述（英文）[J]. Jiao-yuan LIAN,Zhong-bin XU,Xiao-dong RUAN. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2019(05)
[5]模具形式对V型结构复合材料固化变形的影响[J]. 祝君军,文琼华,罗辑,李博,王乾. 宇航材料工艺. 2018(05)
[6]纤维体积含量和富树脂对复合材料V型结构固化变形的影响[J]. 王乾,关志东,蒋婷,王仁宇. 复合材料学报. 2018(03)
[7]YPH-23环氧树脂/预浸料的等温固化动力学研究[J]. 曾理然,湛利华. 化工新型材料. 2016(06)
[8]光纤布拉格光栅监测CF3052/5224复合材料成型过程研究[J]. 张金栋,于海涛,李龙,王庆有,魏鹏,肇研. 材料科学与工艺. 2015(04)
[9]基于材料性能时变特性的复合材料固化过程多场耦合数值模拟[J]. 元振毅,王永军,张跃,杨选宏,王俊彪,魏生民. 复合材料学报. 2015(01)
[10]结构因素对复合材料典型结构件固化变形影响[J]. 贾丽杰,叶金蕊,刘卫平,王长春,张博明. 复合材料学报. 2013(S1)
博士论文
[1]碳纤维增强聚合物基复合材料雷击损伤的电—热—化学—力耦合分析[D]. 董琪.山东大学 2019
[2]热固性树脂基复合材料固化变形数值模拟和理论研究[D]. 丁安心.武汉理工大学 2016
[3]热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟[D]. 王晓霞.山东大学 2012
硕士论文
[1]光纤布拉格光栅结构设计、刻制及性能研究[D]. 孙蜜雪.南京邮电大学 2019
[2]多轴向玻纤复合材料力学性能的温度效应研究[D]. 杨晓日.内蒙古工业大学 2019
[3]热固性树脂基复合材料构件的固化变形仿真研究[D]. 包正弢.中国民用航空飞行学院 2019
[4]高温应变FBG传感器的设计及封装技术[D]. 张亮.中国计量大学 2017
[5]碳纤维复合材料C型梁制造变形预测与控制[D]. 晏冬秀.上海交通大学 2016
[6]复合材料热压罐固化变形及压实过程分析[D]. 赵书婧.哈尔滨工业大学 2011
[7]复合材料结构固化变形分析及其控制[D]. 庞杰.南京航空航天大学 2010
[8]CFRP拉挤工艺过程模拟与热应变分析[D]. 刘淼.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3484427
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/3484427.html
