基于先进拉挤工艺的帽形长桁预成型模具的优化重构

对帽形长桁先进拉挤(Advanced Pultrusion, ADP)原理样机制备预制体试验进行了研究。预制体成型质量的影响因素有预成型模具曲面外形、预成型温度、张力大小等,其中模具曲面外形设计不合理会影响层合板温度均匀性及张力传递。结合M21预浸料材料属性在ABAQUS中建立模型模拟预成型过程,层合板变形模拟结果与实际试验基本吻合,验证了弹性参数及边界条件的可靠性。将变形后的预浸料层合板节点坐标通过CATIA文件夹内GSD_PointSpline-LoftFrom-Excel宏命令导入CATIA,运用创成式外形设计重构模具曲面外形。模具优化后重复预成型模拟试验,研究结果表明运用此方法重构模具曲面外形改善了层合板与模具之间的贴附性,架空间隙包络体积减小至优化前间隙体积的2.6%,从而可提高预成型过程中层合板的温度均匀性,便于预浸料层间滑移运动,减少预制体缺陷产生。

热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究

自动铺放成型技术可以实现热塑性复合材料逐层"原位固结",在加工制造大型零部件、提高生产率、降低制造成本方面具有巨大的潜力。由于温度历程对复合材料构件成型质量有较大影响,本工作通过ANSYS软件模拟热源随铺放头移动、铺放过程中预浸料不断被铺叠到底层预浸料上,获得复合材料铺层的温度场分布情况。同时构建基于WinCC flexible的温度场在线测量系统,对铺层温度进行在线采集和存储。实验结果表明,在铺放成型过程中,每一层预浸料的温度曲线出现多个峰值,且随着热气温度的升高,每层峰值温度逐渐增加,热气温度越高,铺层间峰值温度差越大,热电偶测量结果与仿真结果相差越小。通过对实验结果中的峰值温度与有限元模拟结果进行对比,证明了有限元仿真模型的正确性。研究结果表明,随着铺放速率的加快,每层峰值温度逐渐降低,为满足成型要求,当热风枪出口处热气温度最高为600℃时,最大铺放速率为1.2m/min。

环境时效对预浸料自动铺放工艺粘性的影响

预浸料表面粘性是复合材料自动铺丝成型和自动铺带成型质量的重要影响因素之一。本文采用一种新研制的自动铺放装置和单向预浸带剥离力测试夹具,测试了碳纤维增强环氧预浸料在不同暴露温度和暴露时间的表面粘性,得到了预浸料表面粘性随暴露温度和暴露时间的变化规律。试验结果表明,相同暴露温度下预浸料的表面粘性随暴露时间的增长而降低,并呈现较好的线性关系;暴露温度越高,表面粘性下降速率越大。根据不同暴露温度下预浸料表面粘性变化斜率,给出了用于指导工程应用的预浸料等效暴露单位的换算方法。

基于一维脉管的GFRP自修复复合材料

以缎纹玻璃纤维织物增强中温固化环氧树脂(SW280A/3218)为原料,用自制的室温固化双组分环氧树脂(XFJ-IV)作为修复剂,采用预埋线去除法制备了基于中空脉管的自修复玻璃纤维增强复合材料(GFRP)。采用超声C扫描、μ-CT等分析了脉管分布和引入方式对复合材料冲击损伤的影响,采用冲击后压缩强度恢复情况表征其修复效果。结果表明,在受到冲击损伤后,脉管中的修复剂能够流到损伤位置对冲击损伤进行一定程度的修复;搭建的冲击损伤自感应修复系统能够实现对冲击损伤后的自修复,修复后复合材料的压缩强度可以从冲击后的202 MPa恢复到211 MPa。

复合材料固化工艺的直热模具温度场均匀性分析

针对复合材料固化成型工艺的直热模具温度场均匀性进行了研究。建立模具温度场和复合材料固化反应温度场的耦合传热学模型,并对该模型进行有限元建模仿真分析。针对影响模具表面温度均匀性的主要因素,即电加热管的间距和功率,设计正交试验优化,优化后模具表面最大温差为3.5℃,达到行业标准。此外,对影响温度场均匀性的其他因素,即加热管与模具的接触热阻、复合材料层合板厚度进行了探讨,接触热阻的存在使得模具表面最大温差达到7.24℃,模具加热到指定温度多用时800 s,降低了效率。研究层合板对模具温度均匀性的影响时发现未加入复合材料时模具表面最大温差为4.44℃,加入层合板耦合后最大温差为3.5℃;厚度为毫米级时,层合板对直热模具表面温度均匀性影响不大。