一种树脂基复合材料固化变形的预测方法技术

本发明专利技术属于复合材料成型模拟技术领域，具体涉及一种树脂基复合材料固化变形的预测方法，本发明专利技术提供的预测方法将复合材料的时变特征参数融入至预测过程中，所得模拟结果更为准确，有利于改善树脂基复合材料构件的尺寸精度。

A Prediction Method for Curing Deformation of Resin Matrix Composites

【技术实现步骤摘要】
一种树脂基复合材料固化变形的预测方法
本专利技术属于复合材料成型模拟预测
，具体涉及一种树脂基复合材料固化变形的预测方法。
技术介绍
热固性树脂基复合材料具有高比强度和比刚度、抗疲劳、抗腐蚀等优点，在航空航天、交通能源等领域得到广泛应用。尤其是在航空航天领域，复合材料的用量已然成为衡量结构先进性的标志之一。复合材料构件常用的成型方法是热压罐固化成型，该成型工艺是将树脂基复合材料预浸料铺放于模具上，密封在真空袋中，然后放入热压罐内，经加温、加压完成材料构件的固化成型。树脂基复合材料成型过程中会受到热、化学、力多场耦合作用，经历复杂的物理状态演化，极易产生非均匀内应力，这种内应力在构件成型后得到释放从而导致固化变形。固化变形会影响树脂基复合材料的外形和尺寸精度，减小复合材料结构强度和疲劳寿命，甚至直接导致树脂基复合材料构件报废。因此，对复合材料构件的固化变形进行合理分析与控制，是保证复合材料构件高性能精确成型的关键。传统的复合材料构件研发模式需要经过试样-缩比件-验证件的多次试验，制造质量可控性差、效率低，特别是固化成型过程涉及热、化学、力多场耦合作用，通过试验难以准确掌握工艺参数、模具参数等因素对固化变形的定量影响规律，因此研究树脂基复合材料固化变形的分析计算方法变得越发重要。如现有文献“ArafathARA,VaziriR,PoursartipA.Closed-formsolutionforprocess-inducedstressesanddeformationofacompositepartcuredonasolidtool:partI-flatgeometries[J].CompositesPartA:Appliedscienceandmanufacturing,2008,39(7):1106-1117.”公开了一种常参数下的弹性阶段的固化变形预测模型，该模型采用有限元软件MSC.Marc对T型夹筋壁板进行了固化变形研究，但利用该模型得到的材料固化变形结果的准确性并不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种树脂基复合材料固化变形的预测方法，本专利技术提供的预测方法利用树脂基复合材料固化反应动力学模型和时变参数，建立固化温度场和固化变形预测模型，树脂基复合材料固化变形的预测模型能体现树脂基复合材料固化过程中的影响因素，进而提高固化变形预测结果的准确性。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术提供了一种树脂基复合材料固化变形的预测方法，包括以下步骤：(1)利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；所述树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化反应动力学模型的反应级数；根据树脂基复合材料固化过程中的弹性模量、导热系数和热膨胀系数，构建树脂基复合材料的弹性模量时变模型、导热系数时变模型和热膨胀系数时变模型；(2)根据所述步骤(1)得到的树脂基复合材料固化反应动力学模型、导热系数时变模型、热膨胀系数时变模型，结合树脂基复合材料的比容和固化反应释放热量，通过有限元软件ABAQUS，得到树脂基复合材料固化温度场；(3)根据所述步骤(2)得到的树脂基复合材料固化温度场、所述步骤步骤(1)得到的弹性模量时变模型、树脂基复合材料的剪切模量、泊松比和密度，通过有限元软件ABAQUS构建树脂基复合材料的雅克比矩阵，得到树脂基复合材料固化变形预测模型，用于预测树脂基复合材料固化变形量。优选的，所述步骤(1)中树脂基复合材料固化反应动力学模型如式1所示：式1中，α为固化度；dα/dt表示固化速率；T表示绝对温度；R为取值8.3145的普适气体常数；A1表示自催化反应动力学模型的频率因子；A2表示n级固化反应动力学模型的频率因子；E1表示自催化反应动力学模型的反应活化能；E2表示n级固化反应动力学模型的反应活化能；m、n1和n2表示反应级数，其中，n1表示自催化反应动力学模型的一反应级数，m表示自催化反应动力学模型的另一反应级数，n2表示n级固化反应动力学模型的反应级数，三者相互独立。优选的，所述步骤(1)中树脂基复合材料的弹性模量时变模型如式1-2-1所示：式1-2-1中，α为固化度；αgel为树脂基复合材料的凝胶点；αmod为与固化度和凝胶点相关的系数；E0为树脂基复合材料在固化未开始时的弹性模量；E∞为树脂基复合材料在完全固化时的弹性模量；E为树脂基复合材料的时变弹性模量。优选的，所述与固化度和凝胶点相关的系数通过下式得到：优选的，所述步骤(1)中导热系数时变模型如式1-2-2所示：λ(α,T)＝(1-α)λ(0,T)+αλ(1,T)式1-2-2；式1-2-2中，α为固化度；λ(0,T)表示树脂基复合材料固化度为0时的导热系数与温度的关系；λ(1,T)表示树脂基复合材料固化度为1时的导热系数与温度的关系；λ(α,T)表示时变导热系数。优选的，所述热膨胀系数时变模型如式1-2-3所示：β(α,T)＝(1-α)β(0,T)+αβ(1,T)式1-2-3；式1-2-3中，β(a,T)表示成型树脂基复合材料的时变热膨胀系数；β(0,T)表示树脂基复合材料固化度为0时的热膨胀系数与温度的关系；β(1,T)表示树脂基复合材料固化度为1时的热膨胀系数与温度的关系。优选的，所述步骤(2)中树脂基复合材料的固化温度场通过如式2所示的热传递模型得到：式2中，ρ是树脂基复合材料的密度；Cp是树脂基复合材料的比热容；T为固化反应当前时刻的温度；Kii(i＝x,y,z)代表了各向异性树脂基复合材料三个方向的热传导系数；x为纤维轴向，y为纤维径向，z为厚度方向；树脂在发生固化反应时所放出的热量；表示空间中一点的温度对时间的变化率；表示温度对复合材料纤维轴向方向坐标的二次导数；表示温度对复合材料纤维径向方向坐标的二次导数；表示温度对材料厚度方向坐标的二次导数。本专利技术利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；且所得树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化反应动力学模型的反应级数，能对树脂基复合材料的整个固化过程进行模拟，且模拟结果与实验结果的吻合度高；本专利技术还构建了弹性模量时变模型、导热系数时变模型和热膨胀系数时变模型，结合上述树脂基复合材料固化反应动力学模型，建立树脂基复合材料固化温度场和固化变形预测模型，得到树脂基复合材料固化变形量。本专利技术利用上述预测方法对T型加筋壁板的固化过程进行分析，可得到T型加筋壁板固化过程中的温度场分布信息和固化变形信息。附图说明图1为本专利技术实施例1预浸料在不同升温速率下的动态差示扫描量热曲线；图2为在升温速率为3℃/min下，利用本专利技术提供的树脂基复合材料固化反应动力学模型、n级固化反应动力学模型、自催化反应动力学模型的拟合曲线与试验曲线对比图；图3为利用本专利技术提供的树脂基复合材料固化反应动力学模型进行的恒温固化预测曲线与试验结果对比图；图4为本专利技术提供的有限元软件ABAQUS中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种树脂基复合材料固化变形的预测方法，包括以下步骤：(1)利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；所述树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化反应动力学模型的反应级数；根据树脂基复合材料固化过程中的弹性模量、导热系数和热膨胀系数，构建树脂基复合材料的弹性模量时变模型、导热系数时变模型和热膨胀系数时变模型；(2)根据所述步骤(1)得到的树脂基复合材料固化反应动力学模型、导热系数时变模型、热膨胀系数时变模型，结合树脂基复合材料的比容和固化反应释放热量，通过有限元软件ABAQUS，得到树脂基复合材料固化温度场；(3)根据所述步骤(2)得到的树脂基复合材料固化温度场、所述步骤步骤(1)得到的弹性模量时变模型、树脂基复合材料的剪切模量、泊松比和密度，通过有限元软件ABAQUS构建树脂基复合材料的雅克比矩阵，得到树脂基复合材料固化变形预测模型，用于预测树脂基复合材料固化变形量。

【技术特征摘要】
1.一种树脂基复合材料固化变形的预测方法，包括以下步骤：(1)利用树脂基复合材料预浸料的动态差示扫描量热试验数据对n级固化反应动力学模型和自催化固化反应动力学模型进行非线性拟合，得到树脂基复合材料固化反应动力学模型；所述树脂基复合材料固化反应动力学模型的级数包括相互独立的n级固化反应动力学模型的反应级数和自催化反应动力学模型的反应级数；根据树脂基复合材料固化过程中的弹性模量、导热系数和热膨胀系数，构建树脂基复合材料的弹性模量时变模型、导热系数时变模型和热膨胀系数时变模型；(2)根据所述步骤(1)得到的树脂基复合材料固化反应动力学模型、导热系数时变模型、热膨胀系数时变模型，结合树脂基复合材料的比容和固化反应释放热量，通过有限元软件ABAQUS，得到树脂基复合材料固化温度场；(3)根据所述步骤(2)得到的树脂基复合材料固化温度场、所述步骤步骤(1)得到的弹性模量时变模型、树脂基复合材料的剪切模量、泊松比和密度，通过有限元软件ABAQUS构建树脂基复合材料的雅克比矩阵，得到树脂基复合材料固化变形预测模型，用于预测树脂基复合材料固化变形量。2.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中树脂基复合材料固化反应动力学模型如式1所示：式1中，α为固化度；dα/dt表示固化速率；T表示绝对温度；R为取值8.3145的普适气体常数；A1表示自催化反应动力学模型的频率因子；A2表示n级固化反应动力学模型的频率因子；E1表示自催化反应动力学模型的反应活化能；E2表示n级固化反应动力学模型的反应活化能；m、n1和n2表示反应级数，其中，n1表示自催化反应动力学模型的一反应级数，m表示自催化反应动力学模型的另一反应级数，n2表示n级固化反应动力学模型的反应级数，三者相互独立。3.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中树脂基复合材料的弹性模量时变模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：许英杰，舒晓，杨昊彤，张卫红，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61