《厚截面複合材料層合板固化殘餘應力預測與控制》是依託北京航空航天大學，由張紀奎擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：厚截面複合材料層合板固化殘餘應力預測與控制
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：張紀奎
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
複合材料在厚度方向熱傳導率和滲透率低，導致厚截面複合材料結構固化過程中產生溫度過熱、固化壓實不均勻、殘餘應力大、製造時間長等諸多問題。本項目在分析厚截面複合材料殘餘應力形成機制的基礎上，將固化過程分為熱-化學、流動-壓實以及殘餘應力-變形3個子模組，分別研究熱傳導和固化動力學、樹脂在罐壓下的流動和分布以及結構殘餘應力和固化變形。模型考慮了各種物理化學現象之間的耦合關係，可直接套用於大型、複雜厚截面結構的固化變形和殘餘應力預測。進而從工藝、結構設計以及模具三個方面對殘餘應力的影響因素進行分析，形成厚截面複合材料結構的殘餘應力控制方法。最後，在殘餘應力預測程式基礎上加入複合材料三維失效判據和材料退化模型，形成考慮殘餘應力條件下厚截面複合材料結構強度的預測方法。本項目為厚截面複合材料設計和最佳化固化工藝提供依據，對提高我國大飛機複合材料設計製造水平有重要意義，具有重要的科學意義和工程套用價值。
結題摘要
採用整體-子模組方法將固化過程分為熱-化學、流動-壓實和應力-變形三個相對獨立的子模組。熱-化學模組的控制方程基於Fourier熱傳導方程和樹脂固化動力學方程建立，解決了溫度和固化度之間的強耦合問題。流動-壓實模組的控制方程基於Darcy定律和有效應力原理建立，反映了樹脂流動和纖維網路緊密壓實之間的流固耦合關係。應力-變形模組建立了考慮熱載荷和固化收縮載荷時複合材料層合板的有限元方程。各模組之間的相互作用通過它們之間的數據交換來實現。典型結構的計算結果與實驗對比驗證了本文三維有限元模型的有效性。 完成了國產CCF300/5228A熱力學特性和數值流動特性測試，進行了48層和192層層合板的固化成型過程對比試驗，結果表明，層合板的厚度壓縮率隨層板厚度的增加而減小，C掃描結果顯示厚截面複合材料層合板內部的初始缺陷較薄板更為明顯，降低厚截面複合材料層合板的承載能力。 採用數值模擬方法研究帶防熱層纏繞成型複合材料錐殼熱固化變形的形成機理和影響因素。建立了帶防熱層複合材料錐殼熱固化變形預測的三維有限元程式。計算結果表明：外層防熱材料和內層結構材料熱膨脹係數不匹配是引起殼體固化變形的主要原因。提出在內層和外層之間增加中間過渡層的方法控制殼體的固化變形，中間層材料為丁腈橡膠片時可使固化變形減小20%。採用數值模擬方法討論了中間層模量、厚度以及纏繞張力對殼體固化變形的影響，分析結果表明：固化變形隨中間層模量的增加而增加，隨中間層厚度的增加略有減小；纏繞張力釋放增加殼體的固化變形，纏繞張力越大引起的固化變形越大。
