復(fù)合材料固化變形的三維有限元分析

復(fù)合材料固化變形的三維有限元分析

在熱硬化和形成過程中，由于材料本身的各向異性、基質(zhì)的硬化收縮效應(yīng)以及工藝過程中產(chǎn)生的材料分布梯度，結(jié)構(gòu)中不可避免地會(huì)產(chǎn)生剩余力。最終，最終的化合物結(jié)構(gòu)在燃燒后會(huì)變成硬化和變形，這增加了制造成本和安裝難度。殘余應(yīng)力和固化變形的控制對(duì)于降低成本、提高結(jié)構(gòu)使用壽命具有重要意義。L形層合板的回彈和翹曲是復(fù)合材料固化變形中最為典型的問題,也是目前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。Hubert實(shí)驗(yàn)研究了固化壓實(shí)過程中樹脂黏性、模具形狀以及吸膠條件對(duì)L形層合板內(nèi)樹脂分布的影響,在此基礎(chǔ)上提出了描述復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)固化壓實(shí)過程的二維有限元模型。Naji研究了不同固化周期及浸潤條件對(duì)L形層板內(nèi)樹脂分布及固化變形的影響,指出了固化工藝條件對(duì)最終成型質(zhì)量有重要影響。Radford采用金相學(xué)顯微方法測量了L形構(gòu)件內(nèi)纖維體積含量分布梯度,采用經(jīng)典層合板理論預(yù)測固化變形,解釋了凹模和凸模對(duì)固化變形的不同影響。Wiersma強(qiáng)調(diào)了凹凸模拐角處壓縮厚度的差異,發(fā)現(xiàn)采用凹模時(shí)拐角較厚,回彈角比均勻厚度時(shí)增大15%,凸模時(shí)拐角處較薄,回彈角減小10%,這與其他研究者的結(jié)論有所不同。以上研究表明:固化工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、模具材料和形式等都可能對(duì)L形層合板最終的固化變形產(chǎn)生影響,不同條件下各種參數(shù)的影響程度有很大不同,這是目前研究工作存在分歧的重要原因。本文中采用數(shù)值模擬方法分別研究了各因素對(duì)L形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)固化變形的影響,以確定各種因素變化時(shí)對(duì)固化變形的影響程度和影響方式,從而為制定固化工藝和控制固化變形提供理論依據(jù)。1固化變形預(yù)測模型的數(shù)值模擬文獻(xiàn)分析了復(fù)合材料熱固化過程中各種復(fù)雜的物理化學(xué)變化之間的相互影響,建立了復(fù)合材料固化過程數(shù)值模擬和固化變形預(yù)測的三維有限元分析模型。L形構(gòu)件固化變形的預(yù)測驗(yàn)證了該模型正確性。本文中采用該模型數(shù)值模擬分析了復(fù)合材料固化過程和固化變形的影響因素。圖1給出了固化過程數(shù)值模擬的流程圖,有關(guān)模型的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)。2影響因素分析以文獻(xiàn)中L形結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行復(fù)合材料固化變形影響因素分析。對(duì)于文獻(xiàn)中圖3所示L形復(fù)合材料結(jié)構(gòu),影響固化變形的參數(shù)可分為工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和模具參數(shù)三類。2.1通風(fēng)傳熱條件確定保溫平臺(tái)是根據(jù)材料特性選定的,一般情況下不會(huì)改變。熱壓罐內(nèi)的通風(fēng)換熱條件用對(duì)流換熱系數(shù)表示。對(duì)于不同形狀和厚度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu),固化壓力、升溫速率和對(duì)流換熱系數(shù)是控制復(fù)合材料工藝成本和成型質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。2.1.1峰值溫度與升溫速率的關(guān)系表1為不同升溫速率和對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)50鋪層L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角對(duì)比。由表1可見:升溫速率和對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)L形層合板的樹脂分布幾乎沒有影響。峰值溫度隨升溫速率的提高而提高,隨對(duì)流換熱系數(shù)的提高而降低,固化回彈角的變化趨勢與之相同。這是因?yàn)榉逯禍囟鹊奶岣咴黾恿吮仄脚_(tái)與室溫之間的溫度差,同時(shí)在到達(dá)峰值溫度時(shí),樹脂固化度約0.75,此時(shí)樹脂已基本處于彈性狀態(tài),當(dāng)層合板由峰值溫度下降到保溫平臺(tái)時(shí)將產(chǎn)生一定量的熱載荷,峰值溫度越高載荷越大,由此產(chǎn)生的固化變形也越大。因此,峰值溫度的提高相當(dāng)于增加了溫度載荷,故回彈角隨之增大。升溫速率和對(duì)流換熱系數(shù)主要通過改變固化過程中層合板的峰值溫度影響回彈角。2.1.2固化壓力對(duì)層合板回彈角的影響表2為不同固化壓力時(shí)50鋪層L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對(duì)比。由表2可見:固化壓力對(duì)L形層合板的峰值溫度幾乎沒有影響;層合板的樹脂含量和回彈角隨固化壓力的增大而降低。這是因?yàn)殡S著樹脂含量的降低,樹脂固化收縮引起的變形和層合板厚度方向的熱膨脹系數(shù)都隨之減小,故回彈角隨樹脂含量的降低而減小。所以固化壓力主要通過改變樹脂含量影響最終的回彈角。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于L形層合板,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包含鋪層方向、厚度以及拐角半徑。2.2.1層合板拐角樹脂分布的影響表3為3種鋪層方向L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對(duì)比。由表3可見:鋪層方向?qū)雍习宓姆逯禍囟群推街辈糠謽渲植加绊懞苄?但對(duì)拐角部分(EGH截面)影響較大。50層合板拐角處樹脂含量最低,回彈角最小,[45/02/-45/90]5S層合板回彈角和拐角處樹脂含量最高,比50層合板的回彈角稍小。3種不同鋪層拐角部分平均樹脂含量最大差值為3.5%,但回彈角的差別卻達(dá)到0.69°。表3中不同壓力下,層合板樹脂分布的最大差值同樣為3.5%,但回彈角的差值僅為0.06°。因此鋪層方向引起的力學(xué)性能差異是回彈角相差較大的主要原因;不同鋪層方向引起的樹脂分布差異對(duì)回彈角變化貢獻(xiàn)相對(duì)較小。50層合板拐角處周向與徑向熱膨脹系數(shù)相同,其固化變形主要由樹脂分布不均勻引起的,故其固化變形較小。2.2.2層合板厚度對(duì)固化回彈角和強(qiáng)度的影響表4為3種厚度L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對(duì)比。由表4可見:厚度變化對(duì)層合板的峰值溫度、樹脂分布以及固化回彈角均有一定影響。在不考慮模具作用時(shí),固化回彈角和峰值溫度隨層合板厚度的增加而增加,拐角處樹脂含量隨厚度的增加而降低。厚度對(duì)固化變形的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)厚度增加引起的峰值溫度升高增加了降溫過程中的熱載荷,回彈角增大;(2)厚度增加提高了結(jié)構(gòu)的剛度,模具和樹脂分布不均等其他因素導(dǎo)致的變形相應(yīng)減小,回彈角隨之減小。厚度對(duì)回彈角的影響要綜合考慮這兩方面的因素。厚度變化引起的樹脂分布對(duì)回彈角影響較小。2.2.3拐角半徑的影響表5為拐角半徑分別為5、30.2mm時(shí)L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對(duì)比。由表5可見:拐角半徑變化對(duì)層合板的峰值溫度沒有影響,拐角部分(EGH截面)樹脂含量和回彈角隨層合板拐角半徑的增大而增加。兩種不同拐角半徑的拐角部分平均樹脂含量相差1%,回彈角相差0.06°。由此可見,拐角半徑變化對(duì)L形層合板固化變形影響較小。2.3不同合材料熱傳導(dǎo)系數(shù)差異引起的熱分布梯度模具對(duì)固化過程的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)模具和復(fù)合材料熱傳導(dǎo)系數(shù)差異引起的層合板內(nèi)溫度分布梯度;(2)模具和復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)差異而引起的應(yīng)力梯度,這兩方面變化都可能對(duì)L形層合板最終的固化變形產(chǎn)生重要影響。2.3.1模具溫度對(duì)模具熱傳導(dǎo)系數(shù)和回彈角的影響表6為不同材料模具時(shí)L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對(duì)比。由表6可見:(1)模具材料對(duì)L形層合板的樹脂分布幾乎沒有影響,對(duì)峰值溫度影響較小,對(duì)回彈角影響很大。(2)考慮模具影響時(shí)峰值溫度比不考慮模具時(shí)有不同程度的降低。這是因?yàn)槟＞邿醾鲗?dǎo)系數(shù)較大,固化反應(yīng)放熱可以較快地傳給模具。對(duì)比表6模具材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)可知,熱傳導(dǎo)系數(shù)越大,峰值溫度越低,這就減小了溫度下降引起的熱載荷。因此,模具熱傳導(dǎo)系數(shù)的提高有降低峰值溫度,減小回彈角的作用。(3)考慮模具影響時(shí)回彈角比不考慮模具時(shí)有不同程度的增大。對(duì)比表6模具材料的熱膨脹系數(shù)可知,模具熱膨脹系數(shù)越大,層合板的回彈角越大。熱膨脹系數(shù)較小的Invar相對(duì)于鋁模具的回彈角明顯減小。因此,復(fù)合材料成型時(shí)應(yīng)盡量選用與結(jié)構(gòu)材料熱膨脹系數(shù)相近的材料。2.3.2模具對(duì)層合板回彈角的影響模具形式分凹模和凸模兩種情況。圖2為兩種模具形式L形層合板回彈角的對(duì)比。由圖2可見,與不考慮模具作用時(shí)相比,凸模使回彈角增大,凹模使回彈角減小。模具形式對(duì)回彈角的影響體現(xiàn)在兩方面:(1)樹脂分布梯度;(2)模具對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力位置。采用凸模時(shí),層合板內(nèi)表面樹脂含量高,熱膨脹系數(shù)和固化收縮應(yīng)變大;同時(shí),模具對(duì)結(jié)構(gòu)的約束也作用于內(nèi)表面,使內(nèi)表面收縮變形大于外表面,這兩種因素疊加使層合板平直部分產(chǎn)生的翹曲變形增大了回彈角,如圖3(a)和圖4(a)所示。采用凹模時(shí)樹脂分布和模具作用力位置與凸模時(shí)正好相反,如圖3(b)和圖4(b)所示。其產(chǎn)生的翹曲變形減小了回彈角。圖3中Vr為樹脂體積含量,Fm為模具作用力。2.3.3剪切層模量對(duì)回彈角的影響模具表面條件主要影響模具引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力梯度。模具表面條件通過剪切層模量的變化來體現(xiàn)。圖5為剪切層模量分別為EAl、0.1EAl和0.01EAl時(shí)的回彈角,EAl表示鋁合金的彈性模量。由圖5可見,剪切層彈性模量對(duì)回彈角有很大影響,隨著剪切層模量的降低,模具引起的應(yīng)力梯度減小,回彈角減小。因此,改善模具表面條件和在結(jié)構(gòu)與模具之間放置脫模布以減小結(jié)構(gòu)和模具之間的相互作用是減小固化變形的有效措施。當(dāng)剪切層的模量為0.01EAl時(shí),L形層合板的回彈角約為0.71°,與實(shí)驗(yàn)值相比誤差為7.79%,比不考慮模具時(shí)誤差減小約4%。2.3.4層合板厚度對(duì)模具固化變形的影響以上分析模具因素影響時(shí)均針對(duì)8mm厚的L形層合板。然而模具對(duì)不同厚度層合板的影響程度并不相同。表7為考慮模具和不考慮模具時(shí)不同厚度層合板峰值溫度和回彈角的對(duì)比。由表7可見,隨著層合板厚度的增加,模具對(duì)層合板峰值溫度的降低作用增大,而對(duì)回彈角的增大作用減小。隨著板厚的增加,峰值溫度升高對(duì)其固化變形起增大作用,但層合板剛度增大使模具作用力引起的固化變形減小,兩者相比,后者起主要作用。對(duì)于16mm厚的L層合板模具因素對(duì)層合板固化變形的影響僅為6.1%。3固化變形控制機(jī)理(1)升溫速率和對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)L形層合板的樹脂分布影響很小,主要通過改變峰值溫度影響回彈角。峰值溫度隨升溫速率的提高而升高,隨對(duì)流換熱系數(shù)的提高而降低,回彈角變化趨勢與之相同。固化壓力對(duì)峰值溫度的影響很小,主要通過改變樹脂含量影響回彈角;層合板的樹脂含量和回彈角隨固化壓力的提高而降低。(2)鋪層方向引起的力學(xué)性能變化是回彈角差異較大的主要原因,鋪層方向引起的樹脂分布差異對(duì)回彈角變化貢獻(xiàn)較小。厚度對(duì)固化