一种预测大型复杂复合材料构件固化变形和残余应力的方法技术

一种预测大型复杂复合材料构件固化变形和残余应力的方法，它涉及一种预测构件固化变形和残余应力的方法。本发明专利技术为了解决传统固化仿真方法可靠性差的问题。本发明专利技术的步骤为：步骤一、测量固化本征应变；步骤二、测量力学参数；步骤三、建立大型复杂复合材料构件壳模型；步骤四、通过热力耦合数值计算预测固化变形；步骤五、制作大型复杂复合材料缩比构件；步骤六、型面检测；步骤七、误差分析。本发明专利技术属于复合材料加工制造成型领域。合材料加工制造成型领域。

【技术实现步骤摘要】
一种预测大型复杂复合材料构件固化变形和残余应力的方法


[0001]本专利技术涉及一种预测构件固化变形和残余应力的方法，属于复合材料加工制造成型领域。

技术介绍

[0002]树脂基复合材料是适应航空、航天等高科技领域的需要而发展起来的一种高性能复合材料，它具有轻质、高强度和可设计性等优越的性能。热压罐成型工艺(Autoclave Molding Process)是制造高质量树脂基复合材料构件的主要方法之一，其具有加热温度及固化压力分布均匀，构件的几何形状几乎没有限制，适用范围广的特点。
[0003]但是，在使用热压罐制造树脂基复合材料构件时，复合材料构件在经历高温固化成型及冷却过程后，由于复合材料预浸料的热胀冷缩效应，基体树脂的化学反应收缩效应，以及复合材料与成型所用模具材料在热膨胀系数上的显著差异,这种变形不匹配会导致残余应力的形成，同时其在室温下的自由形状与预期的理想形状之间会产生一定程度的不一致,即产生构件的固化变形，而复合材料构件的固化变形对零件外形精度和构件之间的连接匹配会产生极为不利的影响。
[0004]在生产实际中，常常会遇到异形(构件外型不规则)、复杂铺层(铺层数多于50层且铺层角度排列复杂)、丢层(每一层铺层形状不一致)、多种材料(同时包含织物和单向带预浸料)混杂铺设的复合材料构件，这一类复合材料构件以下统称大型复杂复合材料构件。大型复杂复合材料构件往往不会是铺层和几何形式对称的构件，因此其固化变形和残余应力问题不可忽视。大型复杂复合材料构件的固化仿真往往难度很大，原因在于目前的固化仿真方法要求必须建立待预测构件的精确三维几何模型(包含铺层)，对于大型复杂复合材料构件，包含铺层的三维模型的建立几乎不可能实现，这给其固化仿真带来了极大的困难。
[0005]本征应变法在预测大型复杂复合材料构件的固化变形和残余应力方面具有极大的优势。大量文献研究表明加工制造过程中的残余应力是由于本征应变引起的。每层预浸料在同一工艺下，固化本征应变是相同的，因此，在实际使用热压罐制造树脂基复合材料构件前，只需要测量预浸料的固化本征应变，以便根据预测结果及时对构件的固化工艺规范和零件成型所用模具的型面等进行反复的调整及修正加工，以控制变形程度或抵消变形的影响作用。
[0006]当前对复合材料固化变形和残余应力进行预测的主要方法是通过有限元仿真计算固化过程中的热
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化学
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力耦合多物理场来实现，或是采用传统的经过试样
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缩比件
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验证件的多次试验。这些方法的结果具有极大的不稳定和不确定性，预测效率低且成本高。因此开发本征应变法来高效快捷且准确的预测大型复杂复合材料构件固化变形和残余应力的变得越发重要。

技术实现思路

[0007]本专利技术为解决传统固化仿真方法可靠性差的问题，进而提出一种预测大型复杂复
合材料构件固化变形和残余应力的方法。
[0008]本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：本专利技术的步骤为：
[0009]步骤一、测量固化本征应变；
[0010]步骤二、测量力学参数；
[0011]步骤三、建立大型复杂复合材料构件壳模型；
[0012]步骤四、通过热力耦合数值计算预测固化变形；
[0013]步骤五、制作大型复杂复合材料缩比构件；
[0014]步骤六、型面检测；
[0015]步骤七、误差分析。
[0016]进一步的，步骤一中测量固化本征应变的过程为：制作标准板，根据固化后的中面应变和曲率反演单向带和织物在固化过程中产生的本征应变。
[0017]进一步的，步步骤二中测量力学参数的过程为：根据国家标准测试方法，进行试验，测试单向带和织物的弹性模量，泊松比和剪切模量。
[0018]进一步的，步骤三中建立大型复杂复合材料构件壳模型的过程为：根据大型复杂复合材料构件的外型，建立大型复杂复合材料构件壳单元模型。
[0019]进一步的，步骤四中通过热力耦合数值计算预测固化变形的过程为：将实验测得的固化本征应变作为热膨胀系数输入复杂构件的仿真模型，输入其他力学材料参数；进行热力耦合数值计算，得到同一工艺下复杂复合材料构件的固化变形和残余应力场。
[0020]进一步的，步骤五中制作大型复杂复合材料缩比构件的过程为：根据原始模型等比缩减，制作缩比构件，并在热压罐内固化成型。
[0021]进一步的，步骤六中型面检测的过程为：通过超声扫描测量工具准确获取固化完成后缩比构件型面的位点坐标。
[0022]进一步的，步骤七中误差分析的过程为：使用步骤四的方法热力耦合数值模拟计算缩比构件的固化变形，并与型面检测检测结果进行对比，验证预测结果的正确性。
[0023]本专利技术的有益效果是：相较于现有固化仿真技术和实验方法，本专利技术利用本征应变法预测大型复杂复合材料构件的固化变形和残余应力，可以对同一工艺下，同种材料制作的任意形状、任意铺层的层合板进行数值模拟得到其固化变形和残余应力。首先对于实际生产经常遇到的异形、复杂铺层、丢层、多种材料混杂铺设的复合材料构件能快速准确方便的进行预测；其次这种方法操作简便，只需要复合材料构件外型的壳单元模型，仿真建模要求低，不需建立复杂的三维实体模型，大大提高了仿真收敛性，能满足一般加工单位低成本快速精确预测任意复合材料构件固化变形和残余应力的需求；然后这种方法相较于现有的固化仿真技术，精确度更高，因为其预测数据来源于实验测试，避免了理论假设带来的固有误差。最后这种方法采用实验方式代替了固化机理研究，省略了固化材料参数测试，极大地简化了固化变形和残余应力的预测流程，大大降低了预测大型复杂复合材料构件固化的成本。
具体实施方式
[0024]具体实施方式一：本实施方式所述一种预测大型复杂复合材料构件固化变形和残余应力的方法是通过如下步骤实现的：
[0025]步骤一、测量固化本征应变；
[0026]步骤二、测量力学参数；
[0027]步骤三、建立大型复杂复合材料构件壳模型；
[0028]步骤四、通过热力耦合数值计算预测固化变形；
[0029]步骤五、制作大型复杂复合材料缩比构件；
[0030]步骤六、型面检测；
[0031]步骤七、误差分析。
[0032]具体实施方式二：本实施方式所述一种预测单向带层合板固化变形和残余应力的方法的步骤一中测量固化本征应变的过程为：制作标准板，根据固化后的中面应变和曲率反演单向带和织物在固化过程中产生的本征应变。
[0033]具体实施方式三：本实施方式所述一种预测单向带层合板固化变形和残余应力的方法的步骤二中测量力学参数的过程为：根据国家标准测试方法，进行试验，测试单向带和织物的弹性模量，泊松比和剪切模量。
[0034]具体实施方式四：本实施方式所述一种预测单向带层合板固化变形和残余应力的方法的步骤三中建立大型复杂复合材料构件壳模型的过程为：根据大型复杂复合材料构件的外型，建立大型复杂复合材料构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测大型复杂复合材料构件固化变形和残余应力的方法，其特征在于：所述一种预测大型复杂复合材料构件固化变形和残余应力的方法是通过如下步骤实现的：步骤一、测量固化本征应变；步骤二、测量力学参数；步骤三、建立大型复杂复合材料构件壳模型；步骤四、通过热力耦合数值计算预测固化变形；步骤五、制作大型复杂复合材料缩比构件；步骤六、型面检测；步骤七、误差分析。2.根据权利要求1所述的一种预测单向带层合板固化变形和残余应力的方法，其特征在于：步骤一中测量固化本征应变的过程为：制作标准板，根据固化后的中面应变和曲率反演单向带和织物在固化过程中产生的本征应变。3.根据权利要求1所述的一种预测单向带层合板固化变形和残余应力的方法，其特征在于：步骤二中测量力学参数的过程为：根据国家标准测试方法，进行试验，测试单向带和织物的弹性模量，泊松比和剪切模量。4.根据权利要求1所述的一种预测单向带层合板固化变形和残余应力的方法，其特征在于：步骤三中建立大型复杂复合材料构件壳模型的过程为：根据大型复杂复合材料构件的外型，建立大...

【专利技术属性】
技术研发人员：王长国，张藻旭，赵学莹，吉庆祥，刘远鹏，谭惠丰，徐福泉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
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