復合材料固化變形的三維有限元分析

復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、基質的硬化收縮效應以及工藝過程中產(chǎn)生的材料分布梯度，結構中不可避免地會產(chǎn)生剩余力。最終，最終的化合物結構在燃燒后會變成硬化和變形，這增加了制造成本和安裝難度。殘余應力和固化變形的控制對于降低成本、提高結構使用壽命具有重要意義。L形層合板的回彈和翹曲是復合材料固化變形中最為典型的問題,也是目前該領域研究的熱點之一。Hubert實驗研究了固化壓實過程中樹脂黏性、模具形狀以及吸膠條件對L形層合板內(nèi)樹脂分布的影響,在此基礎上提出了描述復雜形狀結構固化壓實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最終成型質量有重要影響。Radford采用金相學顯微方法測量了L形構件內(nèi)纖維體積含量分布梯度,采用經(jīng)典層合板理論預測固化變形,解釋了凹模和凸模對固化變形的不同影響。Wiersma強調(diào)了凹凸模拐角處壓縮厚度的差異,發(fā)現(xiàn)采用凹模時拐角較厚,回彈角比均勻厚度時增大15%,凸模時拐角處較薄,回彈角減小10%,這與其他研究者的結論有所不同。以上研究表明:固化工藝參數(shù)、結構設計參數(shù)、模具材料和形式等都可能對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L形復合材料結構固化變形的影響,以確定各種因素變化時對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固化變形預測模型的數(shù)值模擬文獻分析了復合材料熱固化過程中各種復雜的物理化學變化之間的相互影響,建立了復合材料固化過程數(shù)值模擬和固化變形預測的三維有限元分析模型。L形構件固化變形的預測驗證了該模型正確性。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,有關模型的詳細介紹參見文獻。2影響因素分析以文獻中L形結構為例進行復合材料固化變形影響因素分析。對于文獻中圖3所示L形復合材料結構,影響固化變形的參數(shù)可分為工藝參數(shù)、結構參數(shù)和模具參數(shù)三類。2.1通風傳熱條件確定保溫平臺是根據(jù)材料特性選定的,一般情況下不會改變。熱壓罐內(nèi)的通風換熱條件用對流換熱系數(shù)表示。對于不同形狀和厚度的復合材料結構,固化壓力、升溫速率和對流換熱系數(shù)是控制復合材料工藝成本和成型質量的關鍵參數(shù)。2.1.1峰值溫度與升溫速率的關系表1為不同升溫速率和對流換熱系數(shù)時50鋪層L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角對比。由表1可見:升溫速率和對流換熱系數(shù)對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。這是因為峰值溫度的提高增加了保溫平臺與室溫之間的溫度差,同時在到達峰值溫度時,樹脂固化度約0.75,此時樹脂已基本處于彈性狀態(tài),當層合板由峰值溫度下降到保溫平臺時將產(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于增加了溫度載荷,故回彈角隨之增大。升溫速率和對流換熱系數(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固化壓力對層合板回彈角的影響表2為不同固化壓力時50鋪層L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對比。由表2可見:固化壓力對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。這是因為隨著樹脂含量的降低,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結構設計參數(shù)對于L形層合板,結構設計參數(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比。由表3可見:鋪層方向對層合板的峰值溫度和平直部分樹脂分布影響很小,但對拐角部分(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回彈角變化貢獻相對較小。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層合板厚度對固化回彈角和強度的影響表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比。由表4可見:厚度變化對層合板的峰值溫度、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,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。厚度對固化變形的影響表現(xiàn)在兩個方面:(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)厚度增加提高了結構的剛度,模具和樹脂分布不均等其他因素導致的變形相應減小,回彈角隨之減小。厚度對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L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對比。由表5可見:拐角半徑變化對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L形層合板固化變形影響較小。2.3不同合材料熱傳導系數(shù)差異引起的熱分布梯度模具對固化過程的影響表現(xiàn)在兩個方面:(1)模具和復合材料熱傳導系數(shù)差異引起的層合板內(nèi)溫度分布梯度;(2)模具和復合材料熱膨脹系數(shù)差異而引起的應力梯度,這兩方面變化都可能對L形層合板最終的固化變形產(chǎn)生重要影響。2.3.1模具溫度對模具熱傳導系數(shù)和回彈角的影響表6為不同材料模具時L形層合板的峰值溫度、樹脂分布和回彈角的對比。由表6可見:(1)模具材料對L形層合板的樹脂分布幾乎沒有影響,對峰值溫度影響較小,對回彈角影響很大。(2)考慮模具影響時峰值溫度比不考慮模具時有不同程度的降低。這是因為模具熱傳導系數(shù)較大,固化反應放熱可以較快地傳給模具。對比表6模具材料的熱傳導系數(shù)可知,熱傳導系數(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)考慮模具影響時回彈角比不考慮模具時有不同程度的增大。對比表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相對于鋁模具的回彈角明顯減小。因此,復合材料成型時應盡量選用與結構材料熱膨脹系數(shù)相近的材料。2.3.2模具對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比。由圖2可見,與不考慮模具作用時相比,凸模使回彈角增大,凹模使回彈角減小。模具形式對回彈角的影響體現(xiàn)在兩方面:(1)樹脂分布梯度;(2)模具對結構的作用力位置。采用凸模時,層合板內(nèi)表面樹脂含量高,熱膨脹系數(shù)和固化收縮應變大;同時,模具對結構的約束也作用于內(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。采用凹模時樹脂分布和模具作用力位置與凸模時正好相反,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剪切層模量對回彈角的影響模具表面條件主要影響模具引起的結構內(nèi)應力梯度。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,剪切層彈性模量對回彈角有很大影響,隨著剪切層模量的降低,模具引起的應力梯度減小,回彈角減小。因此,改善模具表面條件和在結構與模具之間放置脫模布以減小結構和模具之間的相互作用是減小固化變形的有效措施。當剪切層的模量為0.01EAl時,L形層合板的回彈角約為0.71°,與實驗值相比誤差為7.79%,比不考慮模具時誤差減小約4%。2.3.4層合板厚度對模具固化變形的影響以上分析模具因素影響時均針對8mm厚的L形層合板。然而模具對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不同厚度層合板峰值溫度和回彈角的對比。由表7可見,隨著層合板厚度的增加,模具對層合板峰值溫度的降低作用增大,而對回彈角的增大作用減小。隨著板厚的增加,峰值溫度升高對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。對于16mm厚的L層合板模具因素對層合板固化變形的影響僅為6.1%。3固化變形控制機理(1)升溫速率和對流換熱系數(shù)對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回彈角變化貢獻較小。厚度對固化