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LCM技术在线监控体系的研究

祝颖丹  
【摘要】:先进复合材料是一类极为重要的新材料。然而,由于成本过高等原因,其应 用受到了很大的限制。因此,如何发展新的制造技术、降低高品质复合材料的制 造成本,是一个急待解决的高技术问题。复合材料液体模塑成型技术(Liquid Composite Molding,简称LCM)可一步浸渗成型带有夹芯、加筋、预埋件的大型 结构功能件,具有固有的高性能低成本制造优势,是先进复合材料低成本制备技 术的主要发展方向。本文在国家863计划项目(2001AA335020)资助下,根据高 性能低成本LCM集成制造技术的发展需求,重点对LCM成型过程在线监控进行 了系统的研究。 本文对复合材料液体模塑成型技术的国内外研究现状进行了全面的评述,对 LCM成型过程进行了数值模拟仿真,研究了单根纤维束内的微观流动及主要工艺 参数、测试方法以及常见纤维铺敷缺陷对纤维预成型体渗透特性的影响规律,采 用长短双周期光纤光栅实现了LCM成型过程的流动前沿-固化过程等多功能一体 化实时监控,提出了采用遗传算法实现传感器优化布置的方法,最后,在这一系 列的研究基础上,建立了一套初步的LCM在线监控原型系统,主要取得如下成果: (1)通过对LCM成型过程中压力场、速度场、温度场和转化率变化的定量 描述,给出预测树脂的流动前锋扩展及固化过程的数值方法,采用三角形单元和 六节点楔形单元控制体/有限元算法进行了LCM充模过程以及固化过程的二维、 三维数值分析,同时通过算例和实验对数值模拟仿真进行了验证。 (2)研究了单根纤维束内的微观流动及数值模拟、主要工艺参数(织物织构、 纤维体积含量、温度、毛细压力、注射压力/速度等)、测试方法以及常见纤维铺敷 缺陷(边缘效应)对纤维预成型体渗透特性的影响规律及数值模拟,为准确预测 预成型体渗透率、提高LCM技术模拟仿真精度、减少和避免缺陷的产生以及优化 工艺参数提供必要的理论和技术基础。 (3)采用长短双周期光纤光栅及双光栅矩阵运算法解决树脂流动前沿及树 脂固化过程中温度(粘度)、应力等交叉敏感参数的传感测量,并可定性观察到凝 胶、固化结束、降温阶段等关键性变化过程,实现了LCM流动前沿-固化过程等


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