液態(tài)復合材料模塑成型工藝的滲透率拓撲優(yōu)化.pdf

1、本文課題來源是國家自然科學基金“樹脂膜熔滲成型及質量控制非等溫耦合模擬理論與實驗研究”，項目編號：50573060。 液態(tài)模塑成型工藝(LCM)是一種制造復雜形狀復合材料構件的非常有效的工藝方法。LCM是閉模成型工藝，其原理是將預制成型體放入模腔內(nèi)，用液態(tài)熱固性樹脂浸漬，樹脂固化后脫模，然后進行修整得到產(chǎn)品。精確描述樹脂在增強材料中的滲透特性，對優(yōu)化模具設計、充模過程數(shù)值模擬、縮短制造周期、保證產(chǎn)品質量等至關重要。預成型體滲透率

2、是LCM工藝的重要工藝參數(shù)，直接影響纖維樹脂的流動浸潤過程和效果。若樹脂在預制件內(nèi)浸漬不良，很容易導致氣泡等產(chǎn)品缺陷。因此預制體的滲透率性能研究對解決LCM工藝中因浸潤不良而產(chǎn)生的產(chǎn)品缺陷有指導意義，同時對復合材料制備技術的發(fā)展有積極的促進作用。在LCM工藝中，樹脂在預制體內(nèi)的流動通常被看作多孔介質的滲流運動。滲透率是預制體本身所固有的屬性。而多孔材料看作一種結構，具有可設計性。 本文首先介紹了Stokes流體均勻化理論。以連續(xù)

3、介質理論為基礎，假設宏觀結構由周期性微結構在空間重復堆積而成，那么宏觀結構的性能參數(shù)是微結構性能的平均值。宏觀多孔材料中的流體流動服從Darcy定律，微觀單胞內(nèi)的流體流動服從Stokes方程。Darcy定律中的滲透系數(shù)將宏觀流動和單胞的微觀流動聯(lián)系起來。采用均勻化方法對單胞進行分析得到等效滲透系數(shù)的計算表達式。 本文的重點是針對預制件周期性微結構滲透性能進行優(yōu)化設計，建立一種最優(yōu)各向同性滲透性能的優(yōu)化模型。由于微結構材料對稱分布

4、，交叉項等效滲透系數(shù)遠小于主方向滲透系數(shù)，可以近似為零，所以選擇主方向滲透系數(shù)求和取平均值。采用移動近似法(MMA法)進行優(yōu)化計算。松弛設計變量以及使用Darcy流正則化方法將離散型優(yōu)化問題轉化為連續(xù)型優(yōu)化問題。采用逆均勻化理論來設計固體材料在單胞中的分布使得由單胞組成的周期性材料具有最大各向同性等效滲透性能。 本文以二維單胞為算例，分別計算了不同的初始分布、網(wǎng)格劃分以及固體材料體積比得到的相對應的拓撲結構。 經(jīng)過算例比