典型复合材料结构固化变形仿真预测与控制验证

针对典型复合材料结构固化成型过程中变形难以控制的问题,本文对典型复合材料结构的固化变形进行仿真预测,从固化工艺和模具补偿两方面对固化变形加以控制和验证。固化工艺方面以各设计点变形数据为基础确定了最优固化工艺曲线,模具补偿方面提出了一种构件有限元模型自适应调整的方法,综合考虑固化工艺参数与模具型面补偿采用了一种基于全局补偿量的协同控制方法。结果表明,通过仿真模拟L形构件的固化变形误差为12.4%,借助响应面优化算法得到的L形构件最优固化工艺曲线其固化变形预测值与各试验设计点最大变形的最小值偏差不超过3.3%;T形加筋壁板有限元模型经自适应调整后,对于下表面与目标型面之间的偏差距离,数值模拟值与试验测量值的最大相对误差为17.20%。通过全局补偿量的协同控制方法对半筒形壁板的模具进行补偿,其固化变形最大值相比于传统单一模具型面补偿控制方法降低了接近90%。

模具材料线胀系数对复合材料固化变形的影响研究

为了研究模具材料线胀系数对复合材料固化变形的影响,面向复合材料零件热压罐固化成形工艺过程,针对复合材料成形模具材料与复合材料零件线胀系数不一致导致复合材料零件热固化变形的问题,研究了模具与复合材料零件相互作用关系,推导了模具对复合材料固化变形的理论模型,利用ABAQUS等仿真软件建立了模具温度场的数值模拟模型,并将模具热变形的模拟数据与复合材料零件变形的试验数据进行了对比分析。结果表明,不同材料模具型面各位置变形值与型面结构特征无关,与型面大小有关;模具材料与复合材料的线胀系数差异越大,复合材料零件变形量越大。

碳纤维增强双马树脂预浸料的固化变形影响

在热固性树脂增强复合材料热压罐成型工艺中,由于材料的热胀冷缩效应、树脂的交联固化、复合材料制件与成型模具之间的热膨胀系数的差异以及其内部的热传导效率等问题,导致复合材料制件的内部产生残余应力,进而复合材料制件会出现固化变形。固化过程中影响复合材料制件变形的因素除铺层角度影响外,还包括模具表面处理方式、铺层角度、铺层厚度以及铺层尺寸等。选用碳纤维/热熔双马树脂预浸料为研究对象,使用控制变量法,分析并探究了影响复合材料层压板固化变形除铺层角度之外的因素。试验结果表明,对模具表面进行处理后可明显减少固化变形;采用对称铺层可有效降低层压板的收缩与固化变形;增加层压板的厚度可明显减少固化变形;铺层尺寸越规整,层压板固化变形量越小。因此,为控制碳纤维复合材料层合板固化变形的研究提供了参考。

预应力对复合材料C型结构固化变形的影响

C型结构是航空复合材料结构中一种常用的结构形式,其在制造过程中产生的固化变形会严重影响航空结构的装配。本文针对C型结构提出了一种通过施加预应力来减少固化变形的方法,建立了预测C型结构固化变形的数值分析模型,并设计了3种不同铺层的C型结构,分别对每种铺层形式的结构施加3种水平的预应力,对其固化变形进行研究。研究结果表明,有限元预测结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的准确性和有效性,通过施加合理的预应力可以减少这3种铺层的C型结构90%以上的固化变形。

碳纤维复合材料固化变形预报方法对比

碳纤维复合材料固化变形引起复合材料制件装配困难、残余应力等问题。因此,非常有必要建立复合材料构件制造过程引起变形缺陷的准确预报方法。本文对半经验模型与CHILE模型这两种应用最为广泛的固化变形仿真分析方法进行对比,并通过热压罐成型工艺试验对其进行验证。试验结果表明,这两种模型均可准确地模拟复合材料层合板的固化变形行为,其模拟误差均小于10%。基于CHILE模型研究材料参数对固化变形的影响,发现对固化变形影响最大的是玻璃态横向热膨胀系数,其次是橡胶态横向化学收缩系数。

模具-复合材料相互作用的复合材料固化变形仿真方法研究

针对L形复合材料结构固化变形所引起的装配问题,建立了考虑模具-复合材料相互作用的复合材料固化变形仿真模型。首先,利用设置摩擦系数与最大剪切应力的方法,表征成型阶段模具对复合材料结构的剪切滑移效应。其次,考虑复合材料各向异性、材料热胀冷缩效应以及基体化学收缩效应对结构本身固化变形的影响。最后,利用固化硬化瞬时线弹性本构模型,在有效提升计算效率的前提下实现固化变形仿真计算。在此基础上,通过设计不同厚度、不同铺层顺序的L形结构件固化变形实验,验证仿真模型的有效性。实验和仿真分析结果比对最大误差为-20.8%,平均误差为-7.35%。结果表明:对于铝制模具制备的L形结构件,模具与复合材料相互作用会加剧结构的固化变形情况,并且结构刚度对这种变形有重要影响作用。

三维机织复合材料曲板固化变形研究

建立了考虑非均匀温度场影响的复合材料曲板残余应力和固化变形的有限元预测模型,模拟了三维机织复合材料曲板的RTM成型过程,分析了成型过程中曲板温度、固化度及内应力的分布与变化。结果表明,在成型过程中曲板会形成非均匀的温度场和内应力场。温度场的均匀性对曲板变形有较大的影响,若不考虑非均匀温度场的影响会使误差增大10%~15%。使用RTM工艺制备了三维机织复合材料曲板并采用热电偶对成型过程中曲板内部的温度进行监测,利用工业光学扫描仪对曲板的固化变形进行测量。预测结果与实验结果吻合较好,验证了所建立数值模型的准确性,同时还分析了固化温度和厚度对固化变形的影响。

成型工艺对复合材料加筋蒙皮结构固化变形的影响

考虑不同成型工艺的影响,研究了加筋蒙皮复合材料结构的固化变形。通过真空袋压工艺,分别采用共固化、共胶结和二次胶结固化制备了碳纤维/环氧复合材料加筋蒙皮结构并测量其固化变形。针对不同的成型工艺,采用瞬时线弹性固化本构模型,将固化残余应力作为预应力,提出一种考虑不同成型方式的有限元仿真方法,并与实验结果进行对比。分析了成型工艺、铺层方式和加筋厚度对加筋蒙皮结构固化变形的影响。结果表明:成型工艺、铺层和加筋厚度等对结构的固化变形有较大影响,通过合理的铺层,增加加筋厚度及选择合适的成型工艺,可以较大降低加筋蒙皮结构的变形量。

复合材料C形梁结构的固化变形控制研究

针对民机复合材料C形梁结构的固化变形问题,建立了包括传热分析模型、固化动力学分析模型、弹性模量模型、树脂收缩模型在内的仿真预测模型,对C形梁缩比件结构的固化变形进行了预测,预测结果与试验结果相比,具有较小的误差。本文将固化变形的仿真预测结果用于指导C形梁缩比件的模具型面修正调节,用型面调节后的模具制备C形梁的变形测量结果满足结构精度要求,实现了对C形梁结构固化变形的有效控制.

复合材料U形混杂夹层结构固化变形及控制研究

本文以复合材料U形混杂夹层结构为研究对象,通过固化变形仿真模型建立、求解和试验件制造,初步得出零件固化变形规律。将固化变形仿真模拟的结果作为成型工装设计依据,并制造的试验件,试验件型面合格点数由36.36%提高至88.41%,证明基于试验数据修正固化变形仿真模型的参数及变形预测方法适用于U形混杂夹层结构。按照本文中的固化变形补偿方法进行成型工装设计,可以实现对零件的固化变形控制,从而减少试模次数和降低工装返修率,大大降低制造成本。

大尺寸复合材料帽形长桁的固化变形补偿研究

针对热压罐成型工艺制造的复杂复合材料制件所广泛存在的回弹变形问题,以大尺寸复合材料帽形长桁结构试验件为例,采用多截面型面补偿法对分解后的固化变形量进行整体补偿,并对补偿过程涉及的热膨胀补偿基点选取、截面测量一致性、截面变形补偿方式及轴向扭曲变形补偿等关键技术问题进行探讨分析,最终提出针对有高精度型面要求复合材料制件的固化变形补偿方法,实现了大长径比复合材料零部件型面的高精度控制,型面偏差可控制在±0.30 mm以下,对研究复合材料固化回弹的型面补偿具有指导意义。

几何因素对蜂窝夹层构件固化变形的影响研究

针对热压罐固化工艺复合材料蜂窝夹层构件的固化变形问题,以L型蜂窝夹层构件为研究对象,分析蜂窝夹层结构中蜂窝的几何因素对该构件固化变形影响规律。利用有限元仿真的方法,以L型构件的回弹角为评价指标,对蜂窝相对L型构件圆角的距离、蜂窝倒角和蜂窝厚度这3个几何因素对复合材料蜂窝夹层构件固化变形的影响进行研究。结果表明:蜂窝倒角对固化变形的影响最为显著,在设计蜂窝结构时,倒角应取30°;回弹角随蜂窝倒角增大而减小,固化变形随蜂窝位置远离圆角先增大后减小,随着厚度的增大而先增大后减小。

复合材料构件固化变形预测及其工装型面补偿设计

工装型面是影响复合材料固化变形的重要因素,对型面进行合理的优化设计可以实现对固化变形的有效控制。本文通过固化变形实验,验证了固化变形的可控性,基于固化成型模型模拟预测,仿真结果与实验测试结果吻合较好,验证了预测模型及方法的正确性;在此基础上,基于节点位移法对工装型面进行优化设计,并对优化结果进行实验验证。结果表明,通过型面优化设计,可有效减小复合材料固化变形,最大变形量减少89%。

复合材料V型构件的固化变形预测及其工装型面设计

利用固化动力学模型对20mm厚度和3mm厚度的ZT7H/5429碳纤维复合材料层合板进行了固化模拟,在固化过程中,20mm厚度平板出现了温度峰值,中心温度与表面温度差不超过6℃,3mm平板温度分布均匀,温度历程与热压罐工艺温度基本一致。利用简化的温度场和等效热膨胀系数对60°和90°拐角的V型基准试件进行了固化变形模拟,并进行了V型基准试件的固化试验。60°和90°拐角试件的固化回弹角的模拟值分别为1.58°和1.18°,试验测得的回弹角的平均值分别为1.59°和1.11°。对V型复合材料蒙皮构件进行了固化变形模拟,并得到了补偿过的工装型面,在该工装上成型的试件与设计形状基本一致。

热压罐成型复合材料固化变形机理及控制研究

复合材料零件固化变形是多种因素综合作用的结果,如何优化结构及制造工艺以降低固化变形是许多科研工作者长期研究的课题。根据过程诱导应力和变形产生机理可将影响固化变形的因素分为热应力、固化收缩应力、温度梯度与树脂固化度、压力分布和树脂流动、模具与零件的相互作用等。分别介绍了这几种因素导致固化变形的机理,同时阐述了目前固化变形控制的研究进展。

复合材料结构固化变形预测

针对复合材料结构中广泛存在的固化变形现象,分析并讨论了其产生原因和可能的解决措施。并给出典型复合材料结构元件的固化变形预测规律。结合飞行器复合材料整体化结构的概念,以共固化复合材料加筋板为例,说明了整体化结构固化变形和几何设计参数之间的关系。

纤维增强热固性复合材料构件的固化变形研究进展

热固性复合材料的固化是一个热性能、化学性能和力学性能同时发生变化的复杂过程,也是固化变形和残余应力产生的过程。引起复合材料变形的因素主要包括构件的结构形式、树脂含量、铺层方式、基体树脂的特性、固化工艺参数及模具因素等。其中,复合材料固化过程中树脂的热收缩、化学收缩以及模具材料与复合材料间热膨胀系数的差异是引起复合材料发生固化变形的根本原因。

树脂基复合材料热压罐成型工艺固化变形模拟

碳纤维增强树脂基复合材料固化变形的预测,对准确设计工装、提高制件成型精度有重要作用。通过热传递模型、固化动力学模型、固化应变及残余应力模型建立了一种热压罐成型碳纤维增强树脂基复合材料固化变形模拟。基于ANSYS有限元模拟软件的二次开发完成了变形模拟计算程序。通过模拟结果和实验结果对比,证明该模拟方法有较高的精度。

带防热层复合材料锥壳热固化变形的数值模拟

采用数值模拟方法研究带防热层缠绕成型复合材料锥壳热固化变形的形成机理和影响因素.建立了带防热层复合材料锥壳热固化变形预测的三维有限元程序.计算结果表明:外层防热材料和内层结构材料热膨胀系数不匹配是引起壳体固化变形的主要原因.提出在内层和外层之间增加中间过渡层的方法控制壳体的固化变形,中间层材料为丁腈橡胶片时可使固化变形减小20%以上.采用数值模拟方法讨论了中间层模量、厚度以及缠绕张力对壳体固化变形的影响,分析结果表明:固化变形随中间层模量的增加而增加,随中间层厚度的增加略有减小;缠绕张力释放增加壳体的固化变形,缠绕张力越大引起的固化变形越大.

复合材料固化变形预测的理论模型

复合材料在固化过程中不可避免会发生变形问题,因此,需要建立相关理论模型对固化变形进行预测。理论分析可以深入揭示固化变形的内在原因,为试验和生产提供指导。根据已有的科研成果,比较了基于几何变形关系、层合板理论、材料力学理论和弹性力学理论等几个典型的理论模型,分析了其预测机理与适用范围,为复合材料固化变形的控制预测提供一定帮助。