熱塑性復(fù)合材料鋪層過程中溫度場及應(yīng)力場研究.pdf

1、近年來，熱塑性纖維復(fù)合材料由于其高比強(qiáng)度、高比模量和耐燒蝕性能得以廣泛的應(yīng)用，越來越多的復(fù)合材料構(gòu)件采用自動鋪放成型。由于溫度歷程對復(fù)合材料構(gòu)件成型質(zhì)量有較大影響，所以對熱塑性復(fù)合材料自動鋪層過程的溫度場進(jìn)行研究對提高鋪放成型質(zhì)量具有重要意義。目前，國內(nèi)就復(fù)合材料自動鋪層的相關(guān)熱分析尚處于起步階段，因此有必要在這方面展開深入研究。
　　 本文基于半無限大固體的一維熱傳導(dǎo)模型建立了復(fù)合材料鋪放溫度場數(shù)學(xué)模型。根據(jù)鋪放中實(shí)際工況計(jì)算

2、出APC-2在自然對流和強(qiáng)制對流兩種情況下的表面對流傳熱系數(shù)。對復(fù)合材料鋪放過程中的溫度場進(jìn)行求解，得到溫度場的解析解。數(shù)學(xué)模型考慮了鋪放過程中熱氣出筒速度、熱氣溫度對溫度場的影響。
　　 為了對理論模型進(jìn)行驗(yàn)證并研究工藝參數(shù)對溫度場的影響，利用ANSYS對整個(gè)鋪放過程熱量的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度場在空間上的分布及其隨時(shí)間的變化。通過APDL編程和生死單元技術(shù)模擬熱載隨鋪放頭移動、鋪放過程中預(yù)浸料不斷被

3、添加到基體中和樹脂的相變等因素對溫度場的影響，分別討論了不同熱氣溫度和鋪放頭移動速度對粘合點(diǎn)溫度的影響。
　　 在溫度場分析的基礎(chǔ)上，首先對求解鋪層過程中復(fù)合材料熱應(yīng)力的有限元法進(jìn)行分析，建立熱應(yīng)力場的數(shù)學(xué)模型;然后利用ANSYS對復(fù)合材料鋪層過程中的熱應(yīng)力以及構(gòu)件成型后的殘余應(yīng)力進(jìn)行求解。熱應(yīng)力有限元模型中分析了溫度-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)，即溫度場于應(yīng)力場之間的相互作用，把溫度場分析的結(jié)果作為應(yīng)力場分析的熱載荷，便可以對熱應(yīng)力進(jìn)行求解

4、;模型還考慮了樹脂熔化對殘余應(yīng)力的影響，樹脂熔化后具有流動性，因此認(rèn)為熱應(yīng)力生成溫度為熔點(diǎn)及低于熔點(diǎn)的溫度。最后分別分析了熱氣溫度和鋪放頭移動速度對殘余應(yīng)力的影響。
　　 為了驗(yàn)證碳纖維預(yù)浸帶鋪放過程中復(fù)合材料溫度場有限元模型的正確性，本文利用自行搭建的鋪放實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了多次預(yù)浸帶鋪放實(shí)驗(yàn)，采用自行構(gòu)建的實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)對鋪放過程中各層預(yù)浸帶溫度進(jìn)行在線采集和存儲。結(jié)果表明，隨著鋪放過程的進(jìn)行，每一層預(yù)浸帶的溫度曲線出現(xiàn)多個(gè)峰值