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纤维/树脂复合材料的模内热固化成型及脱模变形的研究

李盼  
【摘要】:经过将近一个世纪的发展,纤维增强树脂基复合材料以其良好的耐疲劳特性、高比强度和比模量、突出的多功能性和减振性能以及独特的可设计性等特点,已成为最主要的航空结构材料之一。 在复合材料结构件的固化成型过程中,由于材料热胀或者热缩效应、树脂基体的化学收缩效应、复合材料与模具之间的相互作用等因素的协同影响,往往在复合材料结构件内部产生复杂的内应力,导致脱模后的结构件发生固化变形现象。这种现象严重影响了结构件的性能,降低了产品的合格率。因此,分析纤维复合材料结构件的模内热固化成型和内应力演变过程,进而调控结构件的脱模变形,具有重要的科学意义和工程应用价值。 本文以碳纤维/环氧树脂复合材料体系为研究对象,建立了其在固化过程中的结构参数、性能参数以及固化工艺参数之间的联系。进一步对复合材料在固化成型时内应力的演变以及最终的变形情况进行了数值模拟计算,并开展相关的实验研究。基于上述研究,探索了在不同模具约束条件下复合材料层合板的内应力演变和脱模变形情况。 通过建立纯树脂在固化反应中的固化工艺-结构参数-性能参数之间的关系,对固化反应中交联结构参数和性能参数的变化进行了讨论,并研究了固化工艺温度对各参数的影响,实现了固化工艺-交联结构-力学性能之间的集成研究。 通过数据拟合以及有限元分析软件的二次开发,新建立了基于黏弹性理论的复合材料体系本构模型,并对比分析了分别采用线弹性模型和黏弹性模型计算的复合材料固化变形结果。研究发现:由于环氧树脂本身的黏弹效应,使复合材料在固化过程中产生了应力松弛现象,因此采用黏弹性模型计算得到的固化变形量总小于采用线弹性模型的计算结果;并且树脂含量越高,复合材料的黏弹性表现得越明显。 树脂在固化过程中力学性能会发生很大的变化,从而导致复合材料的性能也随之变化。通过对固化过程中树脂力学性能变化的研究,分析了复合材料在不同方向上应力与应变的演变过程。应用已建立的复合材料黏弹性模型,对具有不同铺层方式和不同厚度的层合板的固化变形情况开展了有限元分析,得到的模拟结果与实验结果规律一致,变形形状亦相符。此外,采用光纤布拉格光栅传感器,对固化变形过程中的温度和应变进行了动态实时监测。 最后,将不同的模具形式等效为对复合材料层合板施加不同方式的约束,数值分析模具形式对复合材料固化变形的影响。结果表明:受到约束后的层合板在模内产生的内应力比自由变形过程中产生的内应力要大;脱模之后,解除约束的层合板发生了明显的变形;最终恢复力学平衡状态的层合板内的残余应力,比自由变形的层合板内的残余应力要小。


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