復(fù)合材料固化變形有限元分析論文綜述

1、綜述一、復(fù)合材料簡介復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可 以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。在近四十年，由于高比強(qiáng)度，高比模量，低重量，耐腐蝕和高設(shè)計(jì)自由度等 優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療機(jī)械、汽車等領(lǐng)域中。特 別是在航空航天領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)輕量化和高力學(xué)性能要求，人們正大量的把復(fù)合 材料應(yīng)用在飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)中。在當(dāng)前的國內(nèi)外制造業(yè)內(nèi)，復(fù)合材料的研究成果 與應(yīng)用情況一定程度上體現(xiàn)了國家的科研水平。無人機(jī)作為現(xiàn)代航空領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，盡可能的減小其質(zhì)量，才能讓它達(dá)到 低成本、低能耗、高機(jī)動(dòng)的目標(biāo)，于是質(zhì)量較小且具多種優(yōu)良力

2、學(xué)性能的復(fù)合材 料獲得了廣大工程師的青睞。航空技術(shù)不斷革新，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用也從 次承力結(jié)構(gòu)慢慢發(fā)展到了主承力結(jié)構(gòu)上，因此，時(shí)代不斷對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件提出新 的要求。在航空航天領(lǐng)域中，復(fù)合材料構(gòu)件一般的制造工藝方法是熱壓罐固化成型。 很多學(xué)者正努力改進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐固化工藝，旨在開發(fā)出低成本、高效率的生 產(chǎn)技術(shù)，以適應(yīng)時(shí)代要求。為了使成型精度更高，所得構(gòu)件的力學(xué)性能更好，復(fù) 合材料構(gòu)件的生產(chǎn)工藝往往會(huì)被高頻重復(fù)設(shè)計(jì)，然而過頻調(diào)整或更換設(shè)備會(huì)讓制 造維護(hù)成本迅速提升。目前，復(fù)合材料的應(yīng)用雖然廣泛，但仍被很多原因限制，其中一個(gè)主要的難 題就是如何減小固化變形。二、熱壓罐成型工藝簡介樹脂基纖維增強(qiáng)

3、復(fù)合材料的成型方法很多，主要分為纖維預(yù)浸成型和預(yù)成形 件樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型兩大方向，熱壓罐固化成型是纖維預(yù)浸成型方向下的一種方 法，通過該法成型的復(fù)合材料構(gòu)件具有力學(xué)性能良好、尺寸一致性較高、纖維體 積分?jǐn)?shù)高等優(yōu)點(diǎn)，故該法已成為當(dāng)下復(fù)合材料領(lǐng)域主要采用的成型方法。熱壓罐成型的基本原理是把樹脂預(yù)浸后的纖維按要求與輔助成型材料一起 鋪層在模具上，使用真空袋將其密封，再放進(jìn)熱壓罐，按照方案中的固化工藝， 通過加溫、加壓、保溫、降溫、卸壓等過程，完成樹脂固化反應(yīng)，得到成形的復(fù) 合材料構(gòu)件。其中樹脂的固化反應(yīng)會(huì)放出不能忽略的熱量，將大大影響到構(gòu)件內(nèi) 部的溫度場和固化度場分布，使構(gòu)件內(nèi)積累殘余應(yīng)力，最后脫離

4、模具后，通過變 形的方式釋放。在熱壓罐固化工藝過程中，樹脂會(huì)發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)并放出熱量。常溫下樹 脂呈液態(tài)，當(dāng)溫度升到凝膠溫度后，樹脂變成橡膠態(tài)，進(jìn)一步升溫達(dá)到最終玻璃 化溫度后，樹脂又變成玻璃態(tài)。樹脂的狀態(tài)轉(zhuǎn)變往往會(huì)引起材料特性的迅速變化， 故對(duì)其進(jìn)行定量研究十分必要。固化過程中樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的程度常用固化度描述，在對(duì)固化度場的研究 中，常定義常溫下的固化度為0，固化度和玻璃轉(zhuǎn)化溫度一樣，都會(huì)隨交聯(lián)反應(yīng) 的進(jìn)行而升高。三、復(fù)合材料的固化變形及控制方法（作者留：這是我的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文綜述，畢業(yè)論文題目為“基于ANSYS 的無人機(jī)復(fù)合材料固化變形分析與優(yōu)化”，知網(wǎng)查重得到的重復(fù)率為百分之 九

5、點(diǎn)幾，論文資料包括翻譯答辯ppt實(shí)習(xí)報(bào)告等，全套都在。聯(lián)系我請(qǐng)直接 私信給上傳本文的百度賬號(hào)。）復(fù)合材料構(gòu)件在經(jīng)歷一定工藝條件下的固化成型過程后，受物質(zhì)的熱脹冷縮 效應(yīng)、樹脂的化學(xué)收縮放熱反應(yīng)和復(fù)合材料與成型模具材料之間的熱膨脹系數(shù)差 異等因素影響，積累了殘余應(yīng)力，脫模后在室溫下的自由形狀與期望的形狀之間 產(chǎn)生了不一致，稱之為固化變形。生產(chǎn)中若是忽略了對(duì)固化變形的控制，將導(dǎo)致尺寸誤差過大和匹配精度降 低。在航空領(lǐng)域中，復(fù)合材料應(yīng)用的主要障礙就是高精度工裝設(shè)計(jì)技術(shù)不夠成熟， 變形容易超出誤差允許范圍，構(gòu)件成型精度不高。為熱壓成型過程中引起的變形找到有效的控制方法是十分復(fù)雜的工作。傳統(tǒng) 復(fù)合材料構(gòu)

6、件的變形控制過程，是當(dāng)構(gòu)件發(fā)現(xiàn)裝配等問題時(shí)，為了使成型后構(gòu)件 精度更高，利用“試驗(yàn)和錯(cuò)誤”的方法，對(duì)模具參數(shù)不斷調(diào)試，或是不斷調(diào)整工 藝方案，基于模具補(bǔ)償和對(duì)固化過程的優(yōu)化，使殘余應(yīng)力和復(fù)合材料部件的變形 減小到一定程度。然而，使用傳統(tǒng)方法來消除復(fù)合元件的變形是昂貴和耗時(shí)的， 而其結(jié)果往往也只能用于一個(gè)獨(dú)特的元件。當(dāng)前固化變形問題的低成本解決方向，就是提出一套合理、高效、相對(duì)準(zhǔn)確 的分析預(yù)測(cè)補(bǔ)償方法來取代重復(fù)實(shí)驗(yàn)?；谟邢拊恚褂糜邢拊治鲕浖?duì) 復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬運(yùn)算，并據(jù)此分析預(yù)測(cè)可能 引起的變形，而后通過優(yōu)化模具或工藝對(duì)變形做出合理補(bǔ)償。重復(fù)有限元模擬分

7、析和優(yōu)化補(bǔ)償變形的過程直到構(gòu)件形狀達(dá)到精度要求，可以大大縮短研發(fā)周期， 提高制造效率，減少材料消耗，從而大幅降低成本。四、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著復(fù)合材料的興起，人們對(duì)成型精度和制造成本的要求日益苛刻。傳統(tǒng)控 制變形的方法是利用經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)，優(yōu)化工藝或?qū)δ＞咝兔孢M(jìn)行修改，精度倒 能在反復(fù)試驗(yàn)和優(yōu)化的過程中越來越高，但這種方法耗時(shí)長，耗材多，且不具有 普適性。于是，對(duì)復(fù)合材料固化變形的預(yù)測(cè)與補(bǔ)償成為了很多學(xué)者的研究方向， 也由此出現(xiàn)了很多奠基性的成果。然而固化變形過程十分復(fù)雜，溫度、樹脂的化 學(xué)收縮率、纖維的體積分?jǐn)?shù)、鋪層的角度和順序、降溫速率等很多參數(shù)都能影響 到構(gòu)件的固化變形，所以綜合考慮更多的

8、影響因素，提出對(duì)復(fù)雜構(gòu)件更具有普適 性的固化變形預(yù)測(cè)補(bǔ)償方法，仍具有十分重要的意義。復(fù)合材料的歷史不長，但國外很早就開始了對(duì)復(fù)合材料的探索。上世紀(jì)八十 年代初，Hyer等就通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了采用非對(duì)稱鋪層方式的層合板 在固化變形后形成的形狀并非經(jīng)典層合板理論中預(yù)測(cè)的鞍形，而是圓筒形，并據(jù) 此證明對(duì)層合板的固化變形分析與預(yù)測(cè)不能忽略幾何非線性的影響，然后建立了 一個(gè)新的模型。根據(jù)能量守恒定律，Hyer等人成功預(yù)測(cè)出正交非對(duì)稱層合板的 變形情況，并提出層合板的變形行為與板的尺寸大小聯(lián)系緊密。Loos等在對(duì)層合板固化成型的研究中，率先根據(jù)模塊化思路，提出了石墨/ 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板熱傳導(dǎo)

9、模型、樹脂流動(dòng)模型和空隙模型，并由此得出加 溫歷程對(duì)溫度、固化度與樹脂流動(dòng)的影響。Carlone等提出了一種針對(duì)復(fù)合材料層合板固化過程的模擬模型，將模擬得 到的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)相比較，發(fā)現(xiàn)偏差值合理，因此證明了所建模型的準(zhǔn) 確性和合理性。Bogetti等針對(duì)熱壓罐成型過程提出了一種普適性好的二維模型，理論上可 模擬出任何截面形狀在任何邊界條件下的固化過程。采用該模型，將樹脂的固化 反應(yīng)熱等效為非線性內(nèi)熱源，求解出熱化學(xué)反應(yīng)方程式與樹脂固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方 程式，便可得出整個(gè)過程中的溫度和固化度分布。國內(nèi)的相關(guān)學(xué)者也為復(fù)合材料的固化變形和預(yù)測(cè)控制做了十分多的工作。戴 棣等從殘余應(yīng)力等角度入手，建

10、立有限元模型對(duì)固化變形進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算推 導(dǎo)。趙靖和李敏基于有限元原理求解了厚制件固化成型過程中的熱傳導(dǎo)模型，獲 取了其在全過程中任意時(shí)刻任意節(jié)點(diǎn)的溫度場與固化度場，并總結(jié)出材料密度等 參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。彈性模量是模擬復(fù)合材料固化過程必要的參數(shù)之一，在推導(dǎo)彈性模量計(jì)算公 式方面，戴福洪、郭戰(zhàn)勝等做了大量研究。由于復(fù)合材料的彈性模量會(huì)因溫度改 變而改變，且具有各向異性等特點(diǎn)，故推導(dǎo)出其計(jì)算公式是模擬出精確結(jié)果的關(guān) 鍵。戴福洪等人成功推導(dǎo)出模量計(jì)算公式，得到本構(gòu)矩陣，并通過有限元方法對(duì) 溫度場求解，其所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)相差不大，并總結(jié)了層合板厚度對(duì)溫度 的影響。張紀(jì)奎等深入研究了固化過程中復(fù)雜

11、的物化變化，并基于有限元原理提出了 相關(guān)的三維模型。因在數(shù)值模擬中涉及到的物理及化學(xué)反應(yīng)數(shù)量很大，故將復(fù)雜 問題簡化，把整體模塊分為熱-化學(xué)、流動(dòng)-壓實(shí)和應(yīng)力-變形三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子模 塊，并通過數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系，將各模塊有效聯(lián)系起來。各模塊及其子程序并不是全 程工作，其是否工作以基體樹脂的凝膠溫度和玻璃化溫度拐點(diǎn)作為判定根據(jù)。賀繼林、李棟等研究了復(fù)雜厚曲面復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形問題，建立起一 種復(fù)雜曲面復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的多物理場耦合有限元仿真模型。他們先是基 于傅里葉熱傳導(dǎo)定律和固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)AS43501-6復(fù)合材料層合板固 化反應(yīng)過程中溫度場和固化度場的分布和變化歷程進(jìn)行了具體分析

12、，建立起固化 過程中的熱-化學(xué)模型，得到了層合板內(nèi)部溫度和固化度的變化曲線。而后研究固 化過程中樹脂基體和纖維增強(qiáng)體的物理參數(shù)演變規(guī)律，利用細(xì)觀力學(xué)理論，建立 起物理參數(shù)變化模型。再根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)理論，在熱-化學(xué)模型的基礎(chǔ)上加入復(fù) 合材料殘余應(yīng)力模塊，建立起復(fù)合材料固化變形模型。同時(shí)研究納維-斯托克斯公 式，通過對(duì)比纖維材料方向與流體定常流線之間的相似性，建立起計(jì)算求解曲面 復(fù)合材料曲面材料坐標(biāo)系的模型，再將其與復(fù)合材料變形模型整合，組成了曲面 復(fù)合材料固化變形模型。最后，通過將光纖光柵應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)和熱電偶溫度測(cè)試 系統(tǒng)對(duì)一個(gè)曲面復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中應(yīng)變和溫度的變化歷程的測(cè)試數(shù)據(jù)，與 曲面

13、復(fù)合材料固化變形模型對(duì)該構(gòu)件的模擬仿真結(jié)果作對(duì)比，驗(yàn)證了該曲面復(fù)合 材料固化變形模型的正確性。賀繼林、李棟等搭建的曲面復(fù)合材料固化變形模型, 填補(bǔ)了固化變形理論的研究空白，為復(fù)雜曲面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化變形問題的研究 做出了巨大貢獻(xiàn)。五、采用有限元軟件對(duì)固化變形進(jìn)行研究的意義國內(nèi)外學(xué)者在復(fù)合材料的固化變形領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)多的研究，迄今也已 取得了很多成果，但理論與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的路仍舊很長。一方面，為了方便建 模和求解，理論研究中常做出一些假設(shè)，以此來忽略部分參數(shù)對(duì)變形的影響，且 建模采用的數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)中的構(gòu)件外形等數(shù)據(jù)相比，往往簡化程度較大，導(dǎo)致 邊界條件和載荷與實(shí)際偏差較大;另一方面，實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品和工藝的不斷創(chuàng)新， 會(huì)對(duì)研發(fā)周期和精度的要求越來越高，對(duì)變形控制的要求也越來越苛刻，所以對(duì) 復(fù)合材料固化變形與優(yōu)化課題的探索在