纖維纏繞複合材料殼體內固化成型基礎研究

《纖維纏繞複合材料殼體內固化成型基礎研究》是依託哈爾濱理工大學，由許家忠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：纖維纏繞複合材料殼體內固化成型基礎研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：許家忠
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

纖維纏繞複合材料殼體以其優異的性能在航空、軍事和工業等領域得到了廣泛套用。目前，制約其套用和發展的主要瓶頸是殼體的成本和性能，而殼體成型工藝直接決定了其最終性能和成本。本項目研究採用蒸汽加熱纏繞殼體內部實現其固化成型的新工藝，對材料內固化過程中複合材料內部變化規律和蒸汽加熱芯模特性進行基礎理論研究。具體內容包括：建立纖維纏繞複合材料在內固化過程中樹脂流動和材料密實模型，及溫度、固化度和應力/應變等多物理場耦合模型；建立隨內固化技術出現的熱纏繞成型過程分析模型；通過數值模擬和試驗揭示內固化和熱纏繞過程中複合材料內部多場變化規律；為實現殼體內部按期望溫度分布加熱，通過數值模擬揭示芯模溫度分布與蒸汽和流道結構參數之間的關係，並對芯模加熱系統進行最佳化。該研究為實現纖維纏繞殼體高效、優質且低成本成型提供新思路，為內固化工藝設計、模擬和參數最佳化提供分析模型和方法。

結題摘要

纖維纏繞複合材料殼體以其比強度高、比剛度大、容易成型和可設計等優點在航空航天、軍事、民用工程、能源輸送和壓力容器等領域獲得廣泛套用，產生了巨大的經濟效益和社會效益。複合材料殼體是結構性能與工藝過程一體化的材料，其成型工藝過程直接決定了結構的最終性能和成本，當前制約複合材料殼體套用和發展的主要瓶頸是材料性能和生產成本問題。傳統的殼體通常採用先纏繞後固化兩步成型工藝製造，即將殼體在纏繞機上纏繞成型後運至固化爐（或熱壓釜）內對其加熱至固化成型。本項目基於“從殼體內部加熱”的思路採用蒸汽加熱芯模實現了複合材料殼體“內固化”新工藝，提高了成型效率和質量。為解決採用“內固化”新工藝的纏繞、固化工藝設計和最佳化、芯模表面溫度分布和傳熱效率等問題，本項目對材料“內固化”過程中複合材料內部變化規律和蒸汽加熱芯模特性進行基礎理論研究，具體內容如下：建立了“內固化”和“熱芯纏繞”工藝過程中的溫度、固化度和應力/應變等多物理場耦合模型及成型過程分析模型，通過數值模擬和實驗揭示了纏繞和固化工藝過程中材料內部多場變化規律，分析了纏繞速度、升溫速率和表面對流換熱係數等外部因素對固化過程中複合材料內部溫度、固化度等參數的影響；針對厚壁殼體徑向溫差過大問題，對“內固化”和“熱芯纏繞”工藝的加溫歷程進行了最佳化，實驗驗證表明，最佳化後的加溫歷程保證了殼體外表面溫度始終在工藝要求的範圍內；建立了“熱芯纏繞”過程中芯模及其內部蒸汽傳熱模型，採用有限元方法對“熱芯纏繞”工藝蒸汽加熱芯模過程進行了模擬，通過對比不同芯管直徑、不同小孔分布、不同小孔直徑的芯模在“熱芯纏繞”工藝過程中內部流場、溫度場分布情況，揭示了芯模結構與複合材料成型質量的關係；基於數值模擬實驗對傳統芯模結構加以改進，對芯模長徑比、芯管直徑與芯模直徑之比以及芯管上的小孔分布及孔徑等參數進行最佳化設計，實驗證明最佳化後的芯模有效改善了軸向溫度分布不均的問題。本項目的研究為實現纖維纏繞殼體高效、優質且低成本成型提供新思路，為內固化工藝設計、模擬和參數最佳化提供分析模型和方法。本項目在國內外發表學術論文16篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄7篇，在科學出版社出版針對複合材料殼體內固化成型工藝、基礎理論和關鍵技術的專著一部。2011年，採用本項目理論研製的內固化纏繞機及相關技術獲得省科技進步二等獎。