题目：带曲率复合材料热压成型密实过程理论与实验研究

连续纤维增强树脂基复合材料因优异的综合性能在先进飞行器上得到了广泛应用，其发展趋势主要从次承力件到主承力件，从简单结构到复杂结构，从而导致带曲率复合材料构件逐渐增多。航空航天领域中带曲率复合材料构件通常采用预浸料/热压工艺制造，其热压过程与平板结构相比存在较大差异，成型过程中压力传递、预浸料铺层密实过程及相关缺陷的形成也相对复杂。目前，大部分研究针对平板结构热压成型密实过程，而在带曲率复合材料构件热压成型的内在机制及影响因素研究方面尚缺乏定量化的分析和深入的理解，从而导致成型质量波动性大等问题，此外，在实际工程应用中带曲率复合材料构件热压工艺方案的制定仍依赖于试错法和经验法，制造成本不易控制。本论文针对带曲率碳纤维/树脂基复合材料结构热压成型过程中关键的共性基础问题开展实验与数值模拟研究，建立了带曲率复合材料结构热压过程预浸料工艺特性测试表征方法，重点分析了热压工艺预成型过程和固化成型过程预浸料铺层的密实行为，在考虑预浸料铺层/模具作用和软模膨胀加压条件下，建立了带曲率复合材料结构热压成型密实过程理论模型和数值模拟方法，为带曲率复合材料构件数字化制造和质量控制奠定了重要的理论与实验基础。首先，为了深入理解带曲率复合材料结构热压成型密实过程，提出采用预浸料铺层摩擦阻力与其厚度方向压缩变形系数作为热压成型带曲率复合材料结构预浸料工艺特性表征参量，自行设计并分别建立了预浸料铺层摩擦阻力和压缩变形系数测试方法，进而明晰了温度、加压速率和压力大小对预浸料铺层摩擦阻力和压缩变形系数的影响，为带曲率复合材料结构热压过程的数值模拟和控制奠定了基础。其次，分别对带曲率复合材料结构热压工艺预成型过程和固化成型过程预浸料铺层的密实行为进行了细致地分析。针对带曲率复合材料结构高效预成型过程，自行设计并建立了热隔膜工艺实验装置，并采用热隔膜工艺成功制备出C形热固性复合材料预制件。研究发现：降低工艺温度及提高加压速率，C形预制件拐角区表面易产生纤维褶皱缺陷，预制件拐角变薄程度降低且内部夹杂空气含量升高。同时，明晰了C形预制件褶皱缺陷产生的临界条件，有效解决了传统工艺中预制件褶皱缺陷难以控制的问题，对于热压成型带曲率复合材料结构的质量控制具有重要的指导意义。针对带曲率复合材料结构固化成型过程，分别考察了预浸料铺层/模具作用和软模热胀压力对带曲率复合材料结构热压密实过程的影响。首次将剪切层引入复合材料热压成型工艺，用其变形能力表征预浸料铺层/模具之间的滑移程度，建立了考虑预浸料铺层/模具作用的带曲率复合材料结构热压成型理论模型，实现了带曲率复合材料结构热压过程层板内任意时刻、任意位置树脂压力和层板厚度等重要参量的准确预测。自行建立了压力分布测试方法，实验结果表明该模型与传统模型相比具有更高的准确性。在系统研究硅橡胶软模工艺特性的基础上，建立了软模膨胀加压与复合材料热压成型耦合模型，实现了热压工艺膨胀型软模加压时机和热胀压力的计算，实验结果与预测结果的一致性验证了该模型的有效性。数值模拟研究表明：热压成型过程中预浸料铺层的剪切变形能力对带曲率复合材料结构拐角区热胀压力影响明显。最后，在以上研究基础上，建立了同时考虑软模的膨胀加压作用和外压传递作用的带曲率复合材料结构热压过程数值模拟方法，实现了复杂结构热压过程压力和温度的实时预报。同时，采用硅橡胶辅助热压罐工艺制备了复合材料纵横加筋壁板，并对其成型过程进行了数值模拟研究。实验与模拟结果指出：相比于传统热膨胀工艺和Airpad软模辅助热压罐工艺，硅橡胶辅助热压罐工艺更适合于成型复合材料纵横加筋壁板，其密实质量和尺寸精度较高。硅橡胶辅助热压罐工艺应按照硅橡胶自由膨胀方式设计工艺间隙；厚度较小的硅橡胶模块可提供合适的热胀压力并保证温度的均匀性；金属模块定位可有效避免筋条错位和纤维屈曲等缺陷。研究结果为复合材料纵横加筋壁板类结构成型质量的控制提供了重要指导。