热压罐成型复合材料固化变形机理及控制研究
发表时间：2018-09-29T10:56:03.590Z 来源：《防护工程》2018年第10期作者：李贺[导读] 结果表明，通过实验的自主设计，可以有效掌握热压成形工艺数值模拟方法和工艺原理，为材料科学以及与试验相关的其它学科的研究提供一种研究思路和研究途径。
李贺
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江哈尔滨 150066
摘要：先进树脂基复合材料热压罐成形工艺模拟特色实验，以自主开发的热压罐工艺成形工艺数值模拟平台为基础，基于计算机模拟的热压罐工艺理论分析，掌握复合材料热压工艺过程复杂的物理化学变化及其对复合材料成形质量的影响，提升实验设计及分析能力，深入理解热压罐成形原理和工艺控制理论。结果表明，通过实验的自主设计，可以有效掌握热压成形工艺数值模拟方法和工艺原理，为材料科学以及与试验相关的其它学科的研究提供一种研究思路和研究途径。
关键词：树脂基复合材料热压罐工艺实验
1引言
复合材料热压成型工艺模拟软件平台是在多个国家级重点基础项目支撑下，基于实验和数值理论方法，建立的复合材料热压成型过程数字化模拟与工艺评价平台，对于缩短复合材料研制周期、提高制件质量可靠性、改变传统的复合材料研制模式（试错法和经验法），具有重要的意义[7-8]。基于软件平台，自主设计改变材料、工艺、结构因素，分析制件内温度、固化度、树脂压力、纤维体积分数等分布及变化规律，对于深入理解热压罐成形原理和工艺控制理论，提升实验设计及分析能力具有重要意义，同时为材料科学以及与试验相关的其它学科的研究提供一种研究思路和研究途径。
2 实验方案
在树脂基体工艺特性分析基础上，设计三组工艺参数（T-t，P-t），基于复合材料热压成型过程数值模拟平台，针对等厚层板计算不同工艺条件下层板内纤维体积分数及其分布，根据制备层板的纤维体积分数判定工艺参数的合理性，理解工艺参数对于成型过程的重要性；工艺参数不变，改变铺层方式，考察层板内纤维体积分数及其分布，了解铺层方式对成型过程的影响；改变材料体系，了解不同材料体系工艺特性的区别。
3 实验案例
3.1 复合材料热压罐成形热传导/树脂固化反应过程数值模拟
（1）实验问题的详细描述。
以30层玻纤布/环氧层板为对象，层板尺寸为100×100 mm，初始厚度为3.86 mm，初始纤维体积分数59%，平面尺寸远大于厚度尺寸，仅考虑层板厚度方向温差。
温度制度：从室温以2 ℃/min上升到 130 ℃并保温60 min，然后再以2 ℃/min从130 ℃升到180 ℃并保温30 min，然后自然冷却。（2）分析问题，确定材料参数[7]等。
（3）建立研究问题的几何模型。
平面尺寸远大于厚度尺寸，仅考虑层板厚度方向温差，且上下面板对称加热。因此，取层板厚度的一半建模，平面尺寸可以为厚度的数倍。长度单位：mm。
（4）建立边界条件。
初始条件：预浸料叠层初始温度设置298K，固化度为非零极小数，如0.000001。上边界（AB）：设定工艺温度，即为随时间变化的温度曲线。
左右边（AC和BD）：对称边界，温度T的法向梯度为零。
底边界（CD）：层板中心面为对称边界，温度T的法向梯度为零。
（5）网格剖分，建立有限元网格模型。
分析区域为规则四边形，采用四节点四边形结构化（structure）单元进行网格划分，X，Y方向分别划分20个单元。（6）退出前处理软件Gid，运行exe文件，开始计算求解。
（7）计算结果处理分析。
3.2 复合材料热压罐成形树脂流动/纤维密实过程数值模拟
（1）实验问题的详细描述。
以30层玻纤/环氧层板为对象，预浸料上下表面对称吸胶，且吸胶材料铺放量足够多，树脂凝胶之前吸胶材料未达到饱和状态，层板四周有挡条约束，使其不发生平面内的树脂流动，且平面尺寸远大于厚度尺寸，仅考虑层板厚度方向流动。材料体系：玻纤/环氧；层板尺寸：100×100 mm；初始厚度为3.86 mm；初始纤维体积分数59%；
工艺制度：从室温以2 ℃/min上升到130 ℃并保温60 min，然后再以2 ℃/min从130 ℃升到180 ℃并保温30 min，然后自然冷却；在130 ℃保温30 min时刻施加0.4 MPa压力。
（2）分析问题，确定材料参数[7]，边界条件等。
（3）建立研究问题的几何模型。
平面尺寸远大于厚度尺寸，仅考虑层板厚度方向流动，且层板为对称吸胶。因此，取层板厚度的一半建模，平面尺寸可以为厚度的数倍。长度单位：mm。
（4）建立边界条件。
上边界（AB）：施加外加压力F=Pa为均布力，同时上边界为吸胶边界，液体出口压力为P=0（相对大气压），在压力作用下，预浸料叠层发生变形，UV无约束。
左右边（AC和BD）：对称边界，垂直边界的法向压力梯度为零，平面位移为零。