高宽比效应对厚壁复合材料固化过程的影响:Ⅰ.数值模拟(英文)

纤维增强聚合物基复合材料(FRP)面临制造厚度为10mm以上的零件的技术挑战。这是因为零件体积与表面积比的增大以及纤维与树脂的较低的热导率,使得树脂固化过程中产生的大量的热量无法及时散去。随着零件的厚度增加,树脂温度会因为反应热的增加而超过其降解温度。因而,本文着眼于厚壁复合材料零件的高宽比效应对单组分树脂系统RTM6在制造商推荐的固化周期(MRCC)下的最大成型厚度及其固化模式的影响。RTM6是特别为航空业树脂传递塑模(RTM)工艺开发的树脂系统。首先通过差示扫描量热仪(DSC)和参数拟合确定RTM6的固化动力学参数,然后采用有限元法进行模拟分析零件最大成型厚度和固化前沿的扩展过程并与文献结果相比较。结果表明,高宽比对厚壁复合材料零件的最大成型厚度和固化前沿扩展模式均有显著影响。零件最大成型厚度与文献结果的吻合度误差范围为1～7%。相同零件厚度下,随着高宽比的增加,会产生胶凝顺序"由外至内"和"由内至外"两种截然相反的固化前沿扩展模式。通过用户自定义固化周期(UDCC),可以实现将固化前沿扩展模式"由外至内"优化为"由内至外"。综上所述,纤维增强厚壁复合材料零件设计制造过程中,零件的高宽比是一个必须考虑的重要因素。

厚壁复合材料管纤维缠绕张力的神经网络设计方法

提出了一种纤维缠绕厚壁复合材料管的张力优化设计方法。介绍了纤维缠绕控制系统的工作原理,并讨论了缠绕厚壁复合材料管成型质量的影响因素。针对厚壁复合材料管纤维缠绕过程,利用弹性叠加原理建立了计算缠绕张力导致复合材料管残余内应力变化的模型和方法。分别比较了利用现有恒张力、恒力矩和锥度张力三种常规模式缠绕厚壁复合材料管的内应力分布特性。设计了一种独特的神经网络结构,并通过误差反向传播实现了对纤维缠绕张力的优化设计。以实验验证说明神经网络收敛优化过程的主要机制,结果表明,通过该神经网络优化的纤维缠绕张力能满足特殊内应力(如等应力)分布设计的需要。

连续损伤力学在复合材料厚壁圆筒渐进破坏分析中的应用

为研究复合材料枪管破坏机理,基于连续损伤力学理论,该文采用以能量为基准的刚度退化方法预测了钢-碳纤维/聚酰亚胺复合材料厚壁圆筒的渐进破坏行为。模型考虑了碳纤维/聚酰亚胺复合材料的三种破坏模式:纤维断裂、基体损伤和层间剪切失效。在渐进破坏分析中,采用了包括多帧重启动分析和弧长法的三维有限元技术。计算结果表明:基体首先破坏;随后纤维开始断裂,引起整体结构屈服破坏;这个过程中没有层间剪切失效和内衬单元破坏;厚壁圆筒整体的强度主要受纤维强度的影响。

纤维缠绕复合材料固化制度实用设计研究(Ⅱ)

本文论述热固性复合材料固化制度的设计原则和基本方法,归纳长期积集累的经验、数据及国内外研究成果,列出相关的原材料热特性参数;重点讨论了厚壁复合材料结构固化过程中的温度滞后和过热的本质、危害及预防措施;同时介绍了三种固化制度模拟验证实验方法。

树脂基复合材料内外协同固化工艺仿真与分析

在采用传统内固化工艺对厚壁壳体成型时,内层温度往往不足以满足其固化要求或者加热时间过长,因此通常采用多次缠绕多次固化的成型工艺,耗能高、效率低,不但大大提高了成本,也难以保证产品质量。因此本文提出了内外协同固化新工艺并介绍其原理,建立纤维树脂复合材料厚壁壳体内外协同固化过程的传热模型和固化动力学模型,通过有限元软件ANSYS和APDL语言开发内外协同固化过程数值模拟程序,实现了厚壁壳体内外协同固化过程中温度和固化度的分布及其变化规律的数值模拟研究。对新工艺的数值模拟结果表明,随着外温和预热温度的不断增大,中心节点的温度、固化度和应变波动较大;厚壁壳体内外协同固化的时间很短,是传统固化时间的1/3。

纤维缠绕复合材料固化制度实用设计研究(Ⅰ)

本文论述热固性复合材料固化制度的设计原则和基本方法,归纳长期积集累的经验、数据及国内外研究成果,列出相关的原材料热特性参数;重点讨论了厚壁复合材料结构固化过程中的温度滞后和过热的本质、危害及预防措施;同时介绍了三种固化制度模拟验证实验方法。

超厚壁变曲率复合材料扩张段固化过程力-热耦合分析

复合材料扩张段是固体发动机喷管的关键部件,为抵抗高温、高压、烧蚀、高速燃气和力学载荷的综合作用,其结构为超厚壁变曲率的复杂混合复合材料结构。由于扩张段的低导热性、超厚壁特征和固化工艺的不合理,成型过程容易出现剧烈的过热峰。为减小固化变形,提高扩张段成型质量,必须抑制固化过热,提高固化均匀性。本文首先采用高压差示扫描量热仪表征2 MPa压力下高硅氧玻璃纤维/酚醛和碳纤维/酚醛预浸料的动力学。然后考虑成型过程多场耦合特点及成型模具和固化工艺的影响,构建固化过程耦合模型,分析扩张段固化过热和非均匀固化现象。最后,提出在剧烈固化前插入降温段的方法优化固化工艺,抑制固化过热。结果表明,优化工艺可以有效抑制扩张段过热现象,优化后最大过热峰由54.2℃下降为23.5℃,最大固化度差值由0.6下降为0.34,下降幅度分别为56.64%和43.33%。