● 摘要
先进树脂基复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料，其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。但是先进树脂基复合材料的性能对生产工艺有很大的依赖性，目前复合材料构件的制造工艺一般采取反复探索、实验的方式进行优化，这会使得复合材料构件存在成本高、可靠性低等问题，严重制约了其在航空航天及其它工业领域的应用。本文针对先进树脂基复合材料热压制造工艺，建立了反映热压工艺树脂流动及纤维密实运动规律的多物理场耦合数值模型，并建立了预测复合材料固化变形的粘弹性应力模型，为先进树脂基复合材料改进工艺条件，进行多学科优化，从而提高产品质量，降低成本提供了理论依据。热压工艺数值模拟的关键是考虑温度场、树脂流动和应力场之间的耦合效应，本文首先针对热压工艺特点，将复合材料预浸料视为可变形的多孔介质，运用体积平均方法，建立了工艺过程中温度、纤维应力和树脂流动多物理场耦合的数值模型。该模型考虑了纤维变形和体积分数变化的影响，反映了渗透率和纤维体积分数的关系；并且对于复合材料层合平板热压工艺，通过进一步简化，给出了一维固化方程。本文采用有限元方法对热压工艺多物理场耦合数值模型进行分析，动边界问题采用ALE移动网格方法处理，有限元分计算结果表明，与非耦合的经典模型相比，本文模型给出的结果能更好地与实验吻合，层合板逐层压缩现象也和实验结果一致，而且该模型能预测树脂的排出量、纤维层间体积分数的变化、固化度的变化规律及复合材料层合板最终的厚度。制造高质量复合材料产品的关键之一在于对残余应力的准确预测，本文假设热固性复合材料为线性粘弹性，其机械模型为广义Maxwell模型，根据热传导和固化动力学理论，建立了反映复合材料热压工艺固化变形的三维热-化学-应力耦合数学模型。该模型考虑整个工艺周期中的热-化学应变、材料的粘弹性效应、各向异性及玻璃化转变温度与固化度的关系。用有限元方法对热-化学-应力耦合数学模型进行分析，热-化学模型采用完全耦合的形式求解，而应力模型则采用单向耦合的形式求解。本文对AS4/3501-6层合平板的固化变形进行了分析，计算结果表明，本文模型得到的层合板翘曲度与实验结果相符。最后本文根据热-化学-应力耦合数学模型，对复合材料层合板固化变形的影响因数进行了分析，发现层合板厚度减小或长度增大，都会使得翘曲变形增大；但是工艺压强对翘曲变形的影响很小，并且层合板的翘曲变形随着模具与层合板热膨胀系数差距的变小而减小。