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纤维复合材料结构固化变形过程的有限元模拟及在线监测

陈忠丽  
【摘要】:纤维增强树脂基复合材料由于轻质、高强和可设计性好的优势而被广泛应用,尤其是整体化成型技术的发展,使得紧固件的数量大幅下降,在提高结构承载力和密封性的同时降低了成本。可以说高效复合材料的实现依赖于结构的整体化,常见的加筋壁板、蜂窝夹层结构和发动机整流罩等均会采用整体化成型工艺。但复合材料结构件的大型化、整体化也使得固化变形问题更加突出,而探索复合材料结构件的固化变形机理可以为提高复合材料的成型质量和装配精度打下坚实的基础,有助于复合材料的低成本、高质量制造和大范围应用,具有重要的研究意义与价值。本文借助ABAQUS软件及其子程序对复合材料结构件的固化成型过程进行了仿真模拟,通过热传导-化学模型和三维黏弹性本构模型的顺序耦合分析了温度、固化度、应力、应变及变形的时间演变和空间分布规律,并通过与文献和实验结果的对比验证了模型的可靠性。首先,从简单的蜂窝夹芯板入手,为了对其固化成型过程进行光纤光栅监测,在原有成型工艺的基础上增加了预固化过程,结果表明增加预固化过程可使光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器能在一定程度上捕捉到升温阶段的应变。另外,为了研究不同铺层的应变演变与分布规律,在复合材料上面板的0°和90°铺层的不同位置处植入了 FBG传感器,传感器的监测结果表明复合材料面板同一铺层的不同位置处应变差别很小,0°和90°铺层之间的应变相差50 με左右,从整体来看,面板的应变场较为均匀。与上述实验相对应的有限元模拟结果与FBG传感器在线监测的应变结果吻合度为83~93%,有限元分析发现即使上下面板铺层不对称,蜂窝夹芯板也几乎不会发生变形,主要是由于蜂窝芯层对复合材料面板的变形存在约束作用。其次,利用得以验证的有限元模型探索了加强筋的铺层顺序和几何尺寸(倒角半径R、法兰长度Lf和纵梁高度H)对T型结构件残余应力和变形的综合作用,并分析了上述因素对最大应力和变形量的影响程度。在研究的范围内,残余应力S22的主要影响因素为倒角半径和加强筋的铺层顺序,且加强筋铺层顺序的改变不影响最大残余应力随几何尺寸变化的演变规律;对于最大变形量,法兰长度及其铺层顺序的影响最大,其次是倒角半径,而且一旦加强筋的铺层顺序发生改变,最大变形量随法兰长度的演变规律就会受到显著的影响。所以在进行复合材料的应力和变形分析时,需要同时考虑铺层顺序与几何尺寸的作用,不能将二者分割开。最后,在上述研究的基础上,将FBG传感器应用于大型风电叶片叶根瓦模具(瓦形玻璃钢结构件)的固化成型过程监测,并进行了相应的有限元模拟分析,模拟与监测的应变曲线较为吻合。研究发现圆周方向的应变分布不均匀,主要是钢结构的约束作用改变了应变的分布;由于瓦形玻璃钢结构件本身的尺寸大、曲面形状复杂且铺层不对称,所以会产生明显的轴向收缩变形和法兰翘曲变形,其中法兰的翘曲变形更严重,因此,控制瓦形玻璃钢结构件型面精度的关键在于提高法兰的平整度。进一步的研究发现,增加刚性约束可以使瓦形玻璃钢结构件的变形量显著降低,在进行刚性约束设计时,约束区域应尽量均匀分布,且在变形较大的区域需要适当增大刚性约束的作用范围。此外,区别于碳纤维复合材料,玻璃纤维复合材料在第二次恒温阶段的应变往往大于固化结束时的应变,合理利用这个特性来设计固化工艺对于降低玻璃纤维复合材料固化过程的残余应力和应变具有重要意义。


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