復合材料固化殘余應力模型簡介

復合材料固化殘余應力模型是描述復合材料殘余應力與固化溫度、時間及壓力之間關系的數(shù)學模型。

中文名稱

復合材料固化殘余應力模型

英文名稱

residual stress model of composite

定　　義

描述復合材料殘余應力與固化溫度、時間及壓力之間關系的數(shù)學模型。

應用學科

材料科學技術(shù)（一級學科），復合材料（二級學科），增強體（三級學科）

復合材料在厚度方向熱傳導率和滲透率低，導致厚截面復合材料結(jié)構(gòu)固化過程中產(chǎn)生溫度過熱、固化壓實不均勻、殘余應力大、制造時間長等諸多問題。本項目在分析厚截面復合材料殘余應力形成機制的基礎上，將固化過程分為熱-化學、流動-壓實以及殘余應力-變形3個子模塊，分別研究熱傳導和固化動力學、樹脂在罐壓下的流動和分布以及結(jié)構(gòu)殘余應力和固化變形。模型考慮了各種物理化學現(xiàn)象之間的耦合關系，可直接應用于大型、復雜厚截面結(jié)構(gòu)的固化變形和殘余應力預測。進而從工藝、結(jié)構(gòu)設計以及模具三個方面對殘余應力的影響因素進行分析，形成厚截面復合材料結(jié)構(gòu)的殘余應力控制方法。最后，在殘余應力預測程序基礎上加入復合材料三維失效判據(jù)和材料退化模型，形成考慮殘余應力條件下厚截面復合材料結(jié)構(gòu)強度的預測方法。本項目為厚截面復合材料設計和優(yōu)化固化工藝提供依據(jù)，對提高我國大飛機復合材料設計制造水平有重要意義，具有重要的科學意義和工程應用價值。

采用整體-子模塊方法將固化過程分為熱-化學、流動-壓實和應力-變形三個相對獨立的子模塊。熱-化學模塊的控制方程基于Fourier熱傳導方程和樹脂固化動力學方程建立，解決了溫度和固化度之間的強耦合問題。流動-壓實模塊的控制方程基于Darcy定律和有效應力原理建立，反映了樹脂流動和纖維網(wǎng)絡緊密壓實之間的流固耦合關系。應力-變形模塊建立了考慮熱載荷和固化收縮載荷時復合材料層合板的有限元方程。各模塊之間的相互作用通過它們之間的數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)。典型結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果與實驗對比驗證了本文三維有限元模型的有效性。 完成了國產(chǎn)CCF300/5228A熱力學特性和數(shù)值流動特性測試，進行了48層和192層層合板的固化成型過程對比試驗，結(jié)果表明，層合板的厚度壓縮率隨層板厚度的增加而減小，C掃描結(jié)果顯示厚截面復合材料層合板內(nèi)部的初始缺陷較薄板更為明顯，降低厚截面復合材料層合板的承載能力。 采用數(shù)值模擬方法研究帶防熱層纏繞成型復合材料錐殼熱固化變形的形成機理和影響因素。建立了帶防熱層復合材料錐殼熱固化變形預測的三維有限元程序。計算結(jié)果表明：外層防熱材料和內(nèi)層結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)不匹配是引起殼體固化變形的主要原因。提出在內(nèi)層和外層之間增加中間過渡層的方法控制殼體的固化變形，中間層材料為丁腈橡膠片時可使固化變形減小20%。采用數(shù)值模擬方法討論了中間層模量、厚度以及纏繞張力對殼體固化變形的影響，分析結(jié)果表明：固化變形隨中間層模量的增加而增加，隨中間層厚度的增加略有減小；纏繞張力釋放增加殼體的固化變形，纏繞張力越大引起的固化變形越大。 2100433B

復合材料空隙率模型是描述復合材料空隙含量與固化溫度、壓力之間關系的數(shù)學模型。

中文名稱

復合材料空隙率模型

英文名稱

void content model of composite

定　　義

描述復合材料空隙含量與固化溫度、壓力之間關系的數(shù)學模型。

應用學科

材料科學技術(shù)（一級學科），復合材料（二級學科），增強體（三級學科）