高性能热塑性复合材料被认为是一种在航空航天领域具有发展前途的结构用材料,其中激光辅助加热自动铺放技术是一种适用于热塑性复合材料的集成化数控成型技术,可以大幅度提高生产效率。复合材料的成型质量依赖于成型过程中的温度分布和温度历史。本文针对热塑性复合材料激光辅助加热自动铺放过程中的温度场,研究铺放过程中的激光光学现象和层间接触热阻,建立考虑接触热阻和非均匀热通量的二维温度场模型,开展铺放试验和数值分析,研究参数对温度场的影响规律,为激光辅助加热自动铺放技术在热塑性复合材料成型中的实际应用提供指导及参考。(1)研究碳纤维复合材料的光学特性,并建立铺放过程中的光学模型。研究表明,反射率随入射光波长的增大而增大;小角度入射时,反射率基本不变,入射角大于50°时,反射率迅速变大。碳纤维复合材料对光线具有各向异性反射特性,且反射图案与表面纤维取向相关。光学模型结果表明,越靠近夹点处,预浸带表面的入射热通量越小,层合板上的一次反射光线使热通量增大,而靠近夹点的部分预浸带由于压辊遮挡作用而未被光线照射。层合板表面的入射热通量随距离夹点的长度变小而增大,同样由于压辊遮挡有部分未被照射,未被照射的表面长度比预浸带上的较短。(2)针对复合材料层合板的层间接触热阻,建立热模型并进行激光辐照层合板试验。研究表明,考虑层间接触热阻的存在时,上层材料吸收的激光能量往下层流动的过程中受到阻碍,能量在上层堆积,导致上表面温度变高。同样地,能量难以往下流导致底层的能量变少,下表面的温度变低。激光辐照层合板试验结果表明,模型中有必要考虑层合板层间接触热阻的存在。(3)建立考虑非均步载荷和层间接触热阻的二维稳态自动铺放温度场模型,开展热塑性复合材料的自动铺放试验,研究激光功率和铺放速率对温度场的影响规律。研究表明,预浸带表面夹点处温度随激光功率的增大而变大,当铺放速率的增大时,夹点处温度总体为下降趋势,由于最高温度降低以及温降变小两种效应,发现根据铺放速率的变化并不能直观的判断夹点处温度的变化。光学模型的简化以及对压辊表面温度的低估导致模型计算温度低于试验测量温度。(4)利用温度场模型分析导热系数、体积热容、压辊边界以及表面发射率对温度场的影响程度。结果表明,在试验范围内,体积热容的变化对预浸带的温度具有最显着的影响,同时与导热系数具有相同的影响效果。预浸带和压辊之间的传热系数以及对流换热系数对最高温度的影响可以忽略不计,而材料表面发射率直接影响测量温度。