● 摘要
复合材料在固化过程中产生的变形是其成本高居不下和质量不稳定的主要原因之一。随着复合材料结构整体化程度的日益提高，依靠传统的经验和小尺寸试件试验方法难以从根本上解决目前生产中存在的质量问题。采用数值模拟方法研究复合材料结构固化过程和预测固化变形，对于缩短研制周期，降低生产成本，实现复合材料结构的整体化和设计/制造一体化具有重要意义。本文首先分析复合材料热固化过程中各种复杂的物理化学变化之间的相互影响关系，在此基础上建立了复合材料固化过程数值模拟和固化变形预测的三维有限元分析模型。采用整体-子模块方法将固化过程分为热-化学、流动-压实和应力-变形三个相对独立的子模块。热-化学模块的控制方程基于Fourier热传导方程和树脂固化动力学方程建立，解决了温度和固化度之间的强耦合问题。流动-压实模块的控制方程基于Darcy定律和有效应力原理建立，反映了树脂流动和纤维网络紧密压实之间的流固耦合关系。应力-变形模块建立了考虑热载荷和固化收缩载荷时复合材料层合板的有限元方程。各模块之间的相互作用通过它们之间的数据交换来实现。典型结构的计算结果与实验对比验证了本文三维有限元模型的有效性。采用数值模拟方法，以典型结构件为例，全面研究了固化工艺、结构设计和模具参数对复合材料固化压实过程的影响，深入分析了这些参数对固化变形的影响方式和影响程度，研究结果表明：(1) 工艺因素(包括升温速率、对流换热系数和固化压力)升温速率和对流换热系数通过影响峰值温度影响固化变形，对层合板紧密压实状态的影响较小。固化压力通过影响树脂分布影响固化变形，对温度和固化度的影响较小。(2) 结构设计因素(包括厚度、铺层和拐角半径)厚度增加引起的峰值温度和树脂含量增加对固化变形起增大作用，但厚度引起的刚度增加使得模具作用力引起的固化变形减小，厚度变化对固化变形的影响要综合考虑这两方面因素。铺层方向影响弯曲形状结构拐角处的树脂分布。铺层方向改变引起的力学性能变化对固化变形起主要作用。拐角半径对于树脂分布和固化变形的影响较小。(3) 模具因素(包括材料、表面光洁度、形式)模具热传导系数的提高降低层合板内的峰值温度。固化变形随模具热膨胀系数的提高而增加。模具表面质量对固化变形的影响通过模具与结构之间剪切层的模量来模拟。模具表面越粗糙，其对固化变形的影响越大。模具形式影响树脂分布的梯度方向和模具对结构作用力的位置。凸模增加回弹变形，凹模减小回弹变形。在全面分析各因素对固化变形影响基础的上，提出了复合材料固化变形快速评估和控制方法。通过分析各种因素改变时对层合板本身力学性能、温度和固化度分布、树脂分布以及模具作用力的影响来评估其对固化变形的影响程度。固化变形控制方法的制定首先要分析固化变形产生的主要原因，其次是分析哪些参数对主要原因的影响较为敏感，最后确定这些参数的调整程度。该方法为复合材料结构设计制造一体化提供基础。运用本文建立的分析模型，针对大尺寸、复杂结构形式复合材料结构进行固化变形预测和控制方法研究。研究结果表明：结构形式选择和铺层设计对复合材料结构固化变形具有决定性影响，固化变形是进行整体结构设计时必须考虑的问题。本文所建立的分析模型和预测方法为整体结构的设计和制造提供技术保障。