先进复合材料热压罐成型固化仿真技研究进展

热压罐成型工艺是航空航天领域用复合材料构件的重要制备方法之一,工艺过程涉及热和压力在多相材料体系间复杂的相互作用,并影响复合材料成型质量.在物理化学作用机理研究基础上,建立数值模拟方法可有效指导工艺、工装的设计与优化,为先进复合材料研制模式从传统的积木式验证向数字化制造模式转变提供了有力的技术支撑.综述近年先进树脂基复合材料热压罐成型工艺数值模拟方面的主要研究进展,结合国内外研究现状,对热压罐成型工艺数值模拟的发展趋势及亟需解决的问题提出了几点思考.     

复合材料热压罐成型工艺仿真技术研究综述

工艺仿真技术是大型复合材料构件制造的重要支撑技术。在西方发达国家,仿真技术在大型复合材料主承力构件制造中的应用已趋于成熟。近10年来,我国工艺仿真技术研究也取得了阶段性成果,但是距国际先进水平仍有较大差距。对国内外复合材料热压罐成型工艺仿真技术研究现状进行综述,结合近期研究工作分析了国内航空制造领域对复合材料仿真技术的需求。最后,根据国内仿真技术现状对复合材料热压罐成型工艺仿真技术的发展提出建议。     

基于COMPRO 模型的复合材料热压罐成型工艺仿真

有效利用热压罐技术来实现复合材料成型的关键在于选择合适的工艺参数和制定合理的工艺
方案,虚拟热压罐工艺仿真可以有助于对固化过程进行预测,提高工艺设计效率,降低生产成本。本文介绍了
热压罐工艺仿真软件COMPRO 以及典型的固化过程分析模型(热化学模型、流动压实模型和应力变形模型)。
最后给出了影响COMPRO 数值模拟的关键参数及翼梁样件试验数据与数值模拟对比,COMPRO 可以较为准
确的预测固化工艺。     

基于XFlow的热压罐成型过程温度场模拟

针对热压罐成型过程中模具型面温度分布不均的情况,基于XFlow软件建立了一种热压罐成型过程的温度场模拟方法。相比于传统的基于网格的流体力学软件,使用XFlow有效缩短了前处理时间。使用XFlow软件建立了框架式模具在热压罐中强迫对流换热的有限元模型,计算结果与试验结果平均相对误差为1.83%,分析了成型过程中模具型面温度分布不均的原因,讨论了热压罐工艺参数对模具温度场的影响规律。结果表明:增大风速、减小升降温速率均可以有效降低模具型面温度标准差。     

复合材料构件热压罐成型温度场研究

在热压罐固化工艺的热历程中,复合材料零件表面温度场分布的合理与否将直接决定产品的固化质量.以工字型零件和T型加筋壁板两种复合材料零件为研究对象,使用EC-3×8M和SCH-5.5×21M两种型号热压罐,同时选择炉温偶和零件偶两种控温方式对零件进行固化.通过分析温度场测试结果发现,控温方式、设备加热方式、升降温速率、热电偶的摆放位置、固化压力等因素均对零件的温度场有影响.     

复合材料热压罐固化工艺仿真分析

针对复合材料的固化过程,建立了其热传递和固化动力学双向耦合模型。根据现有的固化工艺
规范,对圆筒形制件进行了分析,并给出了内外面板处的温度及固化度变化规律。从计算结果看出由于模具的
导热能力较差,靠近模具一侧的面板温度上升比另一侧慢,但是其温度场分布会更加均匀。     

真空成型与热压罐成型复合材料的性能对比

针对一种碳纤维单向预浸料ZT7G/LT-03A及碳纤维平纹织物预浸料ZT7G3198P/LT-03A,采用热压罐成型工艺和真空成型工艺各制备了3批次复合材料,测试预浸料的物理性能以及复合材料层合板的力学性能,通过对两种制备工艺得到的复合材料力学性能、纤维体积含量及孔隙率的对比分析发现,该体系真空成型复合材料性能的保持率均在75%以上,有的甚至超过100%。对于碳纤维单向预浸料来说,层间剪切的保持率最低,0°拉伸强度的保持率最高;对于织物复合材料来说,0°压缩强度的保持率最低,0°拉伸的保持率最高。同时真空成型复合材料纤维体积含量较低,孔隙率较高,是影响其性能的主要原因。     

复合材料非热压罐工艺设计与力学性能研究

纤维增强树脂基复合材料具有比强度/比模量高、可设计性强、耐疲劳等优点,在航空航天领域获得了广泛的应用,但也面临着生产成本和效率问题。针对热压罐工艺高成本和高消耗的缺点,综合分析了热压罐工艺和真空辅助树脂灌注成型(Vacuum Assisted Resin Infusion, VARI)工艺的优缺点,对两种成型工艺进行优势整合后,在VARI工艺的基础上进行升级,设计了一种新的低成本非热压罐成型工艺,并对该工艺成型制件的性能进行评价。结果显示,与VARI工艺制件相比,在非热压罐工艺下成型的玻璃纤维层合板制件,其纤维体积分数提高了6%,拉伸模量提高了2.24GPa,拉伸强度提高了61MPa,层间剪切强度提高了2.96MPa。该设计显著改善了VARI工艺制件的力学性能,具有一定应用前景。     

非热压罐成型低孔隙率复合材料技术研究进展

介绍了非热压罐成型(OOA)低孔隙率复合材料技术的研究进展,详细阐述了OOA预浸料、OOA树脂再到OOA预浸料增强材料等对复合材料孔隙的影响,分析了OOA预浸料固化过程中影响孔隙的典型物理现象,以及各种制造工艺条件和参数等对孔隙率的影响,并提出了控制OOA复合材料孔隙率的方法和建议。     

全动复合材料水平尾翼主承力壁板热压罐成型工艺

叙述了全动复合材料水平尾翼主承力壁板热压罐成型工艺,介绍了壁板成型工艺中的关键技术,解决了壁板批量生产中提出的技术问题。     

热压罐成型变厚度层板缺陷研究

以S-2玻璃纤维／环氧648变厚度层板为研究对象，采用热压罐工艺成型，考察了不同铺层方式和阶梯宽度下缺陷的形成情况。研究结果表明，由于厚度梯度的存在，层板中容易产生纤维分布不均、富树脂、孔隙和分层缺陷，这与树脂的二维流动、纤维的滑移和结构的不对称性有关，铺层方式对各种缺陷影响显著。变厚度层板成型过程中倾角减小使得尺寸难以预测和控制，成型过程中应尽量避免树脂的流动。     

先进复合材料用立体织物研究进展北大核心CSCD

航空航天技术的发展对先进复合材料提出了更高要求,立体织物制备技术得到了全面发展。本文综述了复合材料用立体织物结构、成型工艺、制造设备和应用等国内外研究情况,并结合立体织物特点和近年发展现状,指出未来发展方向。     

先进热塑性复合材料的制备工艺研究

为了探索高性能热塑性复合材料的制备方法,本文使用薄膜层叠法制备了碳纤维编织布增强聚苯硫醚(CFF/PPS)热塑性复合材料层合板。通过控制变量法研究了不同成型压力和制备温度对CFF/PPS复合材料层合板的成型质量的影响。通过弯曲试验和层间剪切试验表征不同工艺参数下的CFF/PPS复合材料层合板的力学性能,从而确定了成型压力及制备温度两个关键参数在不考虑耦合效应下的优化取值范围。研究结果表明,采用成型压力为5 MPa,制备温度为340℃制备的CFF/PPS复合材料层合板,其性能最佳。     

数值模拟技术在热压罐工艺中的应用

随着复合材料和计算机技术的发展,数值模拟技术在复合材料工艺仿真中的应用也日益明显.总结分析了数值模拟技术在复合材料热压罐工艺中的研究进展,包括热压罐内流场仿真、固化放热控制、固化变形预测,以及热隔膜成型过程仿真的应用前景.随着大数据和复合材料自动化、智能化的发展,发展数值模拟技术是大势所趋.     

U型复合材料结构件热压罐固化变形及补偿技术应用研究

以复合材料U型构件为研究对象,采用数值模拟的方法对U型件进行热压罐温度场的模拟,模拟出在不同时间段工装和工件的温度分布情况,模拟工件在工装传热和变形影响下的内部传热、固化度、最终变形情况和残余应力水平等。根据模拟结果,优化热压罐固化工艺参数,从而改善固化热变形问题,根据分析结果制定补偿方案并实施验证,同时优化工装结构形式,采用工装型面补偿技术对零件固化变形进行预补偿。结果表明,补偿后零件变形后的外形与理论几何外形相差1.37mm,验证了补偿技术的可行性。工装型面补偿技术可以有效提高复合材料结构件的制造精度。     

热压罐/真空辅助组合工艺成型复合材料及其质量评价

综合分析热压罐工艺和真空辅助成型(VARI)工艺的优缺点,并对两种成型工艺进行优势整合,开发出新型的热压罐/VARI组合工艺;对该新型工艺成型质量包括纤维体积分数及其厚度等进行评价,并与VARI成型对比.结果显示,热压罐/VARI组合工艺制件纤维体积分数可达60％以上,并且树脂固化前的保压时间越长,纤维体积含量越大,直至纤维体积分数到达一定数值.     

热压罐温度场分析与影响因素研究

热压罐固化成型是制造复合材料的常用方法,固化期间工装表面不均匀的温度场分布会使材料产生残余应力,从而影响材料的使用性能.翼梁采用复合材料热压罐工艺成型,根据热压罐的工作原理,建立了热压罐固化过程温度场模拟的有限元模型,分析了工装表面温度场的分布特点,给出了不同位置的温度曲线.研究了不同因素对工装表面温差的影响.计算结果表明,提高罐内气流流速、增大升温速率、选用低比热容与高热导率的工装材料能够减小工装表面的温差,有利于提高复合材料的成型质量.