树脂基复合材料固化过程中温度场的数值模拟

树脂基复合材料的热固化成型是一个力、热与化学反应相互耦合的过程。文中就其热固化过程中温度场分布的数学模型进行了研究,在此基础上利用有限元方法并结合OOP(Objectoriented program m ing)技术实现了对复合材料固化过程中温度场的数值模拟,讨论了板厚、升温率等因素对温度分布的影响。计算结果表明,固化过程的升温速率应根据复合材料层板的厚度加以合理地选择,以保证温度的均匀分布     

原位聚合热塑性复合材料及其成型工艺研究

热塑性树脂分子量大,熔体黏度高,采用热熔方法制备复合材料存在树脂流动性差、微观尺度上易形成复合缺陷的问题。采用原位聚合方法制备热塑性复合材料,不仅可以避免上述问题,还能够沿用热固性复合材料的成型方法,进而实现热塑性复合材料的高效率、低成本制造,因此原位聚合热塑性复合材料在复合材料应用领域具有广阔的应用前景。围绕几种原位聚合热塑性树脂,本文阐述了其复合材料性能及成型工艺的研究现状,并针对目前存在的问题,提出了4个研究方向：改性工艺与成型工艺的耦合、聚合环境洁净度和聚合反应对杂质的敏感性的控制、聚合反应放热温度的控制、液体成型树脂适用期的调控。     

大型高性能复合材料构件RTM工艺进展

航空航天工业的飞速发展对大型、高性能先进树脂基复合材料构件的高效、低成本制造提出了迫切需求。树脂转移模塑成型(Resin transfer molding,RTM)是一种制造先进纤维增强体树脂基复合材料的工艺技术,与现有的热压罐技术相比具有设备结构简单、生产效率高及制造成本低等优点。本文综述了两种典型的RTM工艺:真空辅助树脂转移模塑成型(Vacuum assisted-resin transfer molding,VA-RTM)与轻质树脂转移模型成型(Light-resin transfer molding,L-RTM)的技术研究与应用现状,指出了这两种工艺在制造大型高性能构件时存在的问题,并对RTM工艺过程多场耦合数值仿真、仿真新方法及多功能仿真的研究现状及技术难点进行了总结,基于此对RTM工艺发展趋势进行了探讨,旨在为实现快速工艺优化,获得高效、高性能和大型构件的RTM工艺应用提供参考。     

复合材料RTM十字形接头力学性能研究

针对某型飞机复合材料扰流板接头,选取典型十字连接区为研究对象,研究4点弯载荷作用下采用树脂传递模塑(Resin transfer moulding,RTM)成型工艺的十字接头典型件的极限承载能力,分析其损伤破坏模式,为复合材料RTM接头的设计强度分析提供参考。论文通过典型细节件4点弯曲试验,测量了其极限承载能力,获得了试件典型破坏模式;同时基于商用ABAQUS有限元软件平台,建立了十字连接区典型细节件有限元模型,数值模拟了其损伤破坏过程。通过比较数值模拟结果和试验结果,验证了数值模拟的可行性。     

模具材料对复合材料制件固化过程应变的影响分析

复合材料热压罐固化工艺过程中,制件的固化变形依旧是影响成形质量的重要原因。通过光纤光栅和热电偶相结合的方法对复合材料制件在热压罐成形工艺过程中的温度和应变进行在线监测,研究了树脂基体对制件应变的影响规律,并基于此分析了不同模具材料对制件固化过程应变和固化变形的影响。试验结果表明:树脂与模具是复合材料固化过程应变变化的主要影响因素,在升温/保温阶段,树脂的流动、热膨胀、固化反应等是应变变化的主要原因,而在降温阶段模具收缩对应变变化起主导作用;不同模具材料的刚度、与制件的结合能力以及热膨胀系数的变化会在复合材料固化过程的不同阶段对应变变化产生较大影响。本文获得了不同材质模具试验条件下复合材料制件固化过程中的应变曲线,分析了固化过程中模具对复合材料制件内部应变的影响规律,为深入分析大型复合材料构件固化变形提供了理论支撑。     

复合材料注射成型纤维取向数值模拟分析

基于Hele-Shaw理论及广义非牛顿流体本构方程,采用RSC取向模型,建立了短纤维增强聚合物注射成型流动数学模型。采用Moldflow对纤维增强聚合物在矩形薄板中的注射成型进行数值模拟。结果表明:沿宽度方向,矩形薄板两侧处的纤维取向程度高于薄板中部;沿流动方向,入口段和流动末端纤维取向较差,中段取向较好。随着熔体温度的升高,纤维取向值先增大后减小;而随着注射时间的增加,纤维取向值增大。     

内融冰盘管动态蓄冰特性数值模拟与实验研究

采用焓法建立了管外结冰过程的二维动态数学模型,数值模拟了冰层沿换热管径向及长度方向的动态生长规律,并在此基础上分析了载冷剂进口温度、流量变化和不同结冰时间等对冰层动态生长及蓄冷特性的影响,并进行了实验验证。实验结果表明:在结冰初期的2 h内冰层厚度及动态蓄冷量数值模拟结果与实验数据误差较大,而在蓄冰过程结束时二者吻合较好,误差在10%以内;沿载冷剂流动方向冰层厚度逐渐减小,数值模拟与实验结果基本吻合。数值模拟结果与实验数据基本相符,验证了建立的数学模型的合理性。     

水性涂料用丙烯酸树脂的研究

水性涂料用的丙烯酸树脂主要是丙烯酸、甲基丙烯酸及其酯与乙烯系单体如苯乙烯经共聚生成的树脂。本文对其合成影响因素等进行了介绍。     

考虑凝固收缩作用的凝固过程及其液相流动的有限元计算模型

当要考虑凝固收缩作用所带来的密度变化时，至今所得出的凝固过程及其液相流动数学模型在应用有限元方法进行计算机模拟时有困难。通过建立Ａ变量及与速度的关系，提出了以固液两相区微元体守恒性分析为基础，建立了质量、动量、能量方程式。     

电场中阳离子交换树脂对水解离作用的研究

针对传统电解加工存在的易造成环境污染等问题,本文提出使用纯水作为电解液的新思路,并将磺酸型阳离子交换树脂用金属离子改性后,在电解加工间隙进行填料。通过测量电流-电压特性曲线,研究了离子交换树脂对水解离的作用。实验结果表明:借助离子交换树脂用纯水作为电解加工的电解液具有可行性;树脂经与其亲和力较弱的阳离子改性后,强化了其催化解离纯水的能力,而用与其亲和力较强的阳离子改性后则表现较差。但进行负载修饰时,溶液中金属离子的浓度可能会影响到树脂上活性亲水位点的数量,而温度对树脂的催化性能具有一定的影响。     

高温燃气加热器热特性研究

介绍了高温燃气加热器的工作原理,推导了结构在高温燃气作用下的二维共轭传热方程,应用Fluent软件对头锥结构在高温燃气作用下的流动传热特性进行了数值模拟,得到了不同来流温度和速度条件下结构温度分布情况以及外流场流动及传热特性,为高温燃气对流加热试验技术提供依据。     

机载蒸发循环制冷系统板翅式蒸发器换热特性

从叉流板翅式蒸发器翅片传热和隔板热平衡方程出发建立了蒸发器的分布参数稳态数学模型,用有限差分法计算了蒸发器内的温度分布和换热特性。模型中制冷剂侧采用均相流动假设,空气侧考虑了湿工况的影响。为了求解两流程板翅式相变换热器的数学模型,本文提出了一种以第一、第二流程分界隔板上温度分布为收敛依据的计算方法,得出了蒸发器中空气温度场及制冷剂两相流干度和温度场的分布规律。计算结果表明,蒸发器中温度场和干度的分布规律是由叉流式换热器的结构特点及制冷剂和空气的相对流动方向决定的,制冷剂在一个流动通道中沿垂直流动方向干度分布很不均匀,即一边是过热蒸气,而另一边则含有未蒸发的制冷剂液体。由于过热蒸气与空气的换热系数较低,蒸发器中存在大面积过热区势必影响其换热效率,同时,蒸发器出口含有制冷剂液滴不仅减少了系统制冷量,降低了系统的性能系数,严重时可能对压缩机的工作造成不良影响。因此在设计蒸发器时必须充分考虑干度不均匀性的影响,采取必要措施尽量使出口干度均匀。计算结果与相关文献中实验结果比较证明了本文所建立的模型是合理的。     

基于流-固耦合方法的涡轮叶片热应力仿真

为真实模拟超高速转子的工作性能,必须对涡轮叶片进行流体-热-结构耦合分析。将有限元软件中提供的流-固耦合仿真技术应用到涡轮叶片瞬态传热计算中,利用ANSYS CFX建立了涡轮叶片与高温燃气的流-固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。以某涡轮转子为例进行了流-固-热耦合分析仿真计算,获得叶片的瞬态温度场分布和热应力。在此基础上结合整个涡轮叶片的实际工作状况对其模拟结果进行定性分析,验证其分析方法的可行性,为实际涡轮叶片设计优化提供了理论依据,有助于叶片加工工艺方法的改进,其分析方法对类似问题的处理也很有借鉴意义。     

催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷，在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中，建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中，通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系，对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性，结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应，耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果，而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上，通过耦合传热分析，揭示了催化反应与壁面传热的内在关系，证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。     

涡轮叶片内"冲击-气膜出流"局部换热特性数值模拟

用RSM模型对有、无冲击气膜出流冷气侧气膜孔局部换热特性进行了数值研究。取气膜孔前后3倍气膜孔径范围为研究对象。在无冲击射流时,通过改变来流雷诺数、气膜出流与横流密流比,对气膜孔的“溢流效应”进行了研究。研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而增强。将实验结果和计算结果进行了比较,趋势吻合。在有冲击射流时,着重研究了流动和几何参数对气膜孔局部换热特性的影响,分析了“冲击-气膜出流”局部换热特性规律。     

有初始横流阵列射流冲击的三维数值计算

对具有初始横流的阵列射流冲击的流场和温度场进行了三维数值计算 ,研究了射流孔与冲击靶面间距、射流冲击孔排列方式和射流与横流质量流量比等因素对换热特性的影响。结果表明 :( 1 )在不同的射流孔与冲击靶面间距下 ,对于给定的射流与横流质量流量比 ,顺排方式的冲击冷却效果要优于叉排方式 ;( 2 )射流孔与冲击靶面间距对阵列射流冲击的流动和换热特性影响是非常复杂的 ;( 3 )随着初始横流与射流质量流量之比增加 ,在相同的射流孔与冲击靶面间距下 ,顺排和叉排方式的冷却效果均呈现单调的下降     

低Re数管内强化对流传热实验研究

分别应用螺旋线圈和扭带作为插入物，在Ｒｅ≤２．０×１０３下，研究管内水与管壁的传热强化，与光管传热作了比较分析。并归纳出强化传热Ｎｕ数及流动阻力系数ζ随Ｒｅ的变化规律，反映出螺旋线圈和扭带在低Ｒｅ下有不同程度的强化传热效果，但也相应地增加了流动阻力。文中对两种强化传热元件也作了相应的比较。     

液晶显示的单孔冲击冷却传热特性

本文利用胆甾型液晶加热膜复合体显示表面换热的特性,对单孔射流冲击冷却,分别在改变孔靶间距比、射流流量和加热功率的条件下,通过试验取得了一系列的热图像,对有横流的单孔冲击冷却,也做了类似的试验。从而利用液晶温色效应获得温度场和高分辨率的对流换热系数等值线谱图形,即传热表面的换热特性。在单孔冲击冷却试验中,还观察到了双峰的热显示图像。     

旋转热源传热特性的理论研究

研究了旋转热源的热传导问题，并将其简化为一维、旋转的周期性脉冲热源传热问题。类似于流体流动，一组新的由旋转角速度ω、热物性参数和几何尺寸组合而成的无量纲拟贝克数Pe1，Pe2．毕奥数Bi被导出。结果表明．它们对传热过程起决定性作用。尤为重要的是，数值仿真对每周转的温度分布给出了微观的“精细”结构和宏观的“粗糙”结构，两的差别取决于上述无量纲数的不同组合，显示了上述几个无量纲准则数的相对关系对传热特性的影响。