【摘 要】
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碳纤维增强树脂基复合材料的用量与应用水平已经成为衡量航空结构先进性的重要标志。复合材料的固化程度对构件最终成型质量起决定性作用,固化度在线监测对固化工艺控制具有重要意义。为了实现CFRP构件的高质量、高效率固化,本文研究一种CFRP构件固化度准确、无损的在线监测技术。本文依托于可精准测量输入到材料内部电能的自阻电热固化工艺,主要成果如下:(1)针对现有传感器监测法损伤构件性能、整体阻抗法受到固化过
【基金项目】
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国家自然科学基金“碳纤维增强树脂基复合材料自阻电热高压固化基础研究”(项目编号:51775261); 江苏省研究生研究与实践创新项目(项目编号:KYCX180319);
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碳纤维增强树脂基复合材料的用量与应用水平已经成为衡量航空结构先进性的重要标志。复合材料的固化程度对构件最终成型质量起决定性作用,固化度在线监测对固化工艺控制具有重要意义。为了实现CFRP构件的高质量、高效率固化,本文研究一种CFRP构件固化度准确、无损的在线监测技术。本文依托于可精准测量输入到材料内部电能的自阻电热固化工艺,主要成果如下:(1)针对现有传感器监测法损伤构件性能、整体阻抗法受到固化过程中纤维床浸润压实影响的问题,提出了一种基于能量转化平衡的CFRP构件固化度监测方法。通过精确测量实时输入到CFRP构件中的能量和CFRP构件整体的热能变化,同时根据对照等效的热耗散,计算复合材料发生固化交联反应实时放出的化学热,实现了对CFRP构件固化度的实时、无损、定量监测。与DSC离线检测法、介电监测法和整体电阻监测法分别进行了对比验证,结果表明:本方法对于固化度在线监测的最大绝对偏差为16.7%,平均绝对偏差仅为4.2%。(2)针对对照等效热耗散法难以适用于小批量高附加值的CFRP构件实际生产的问题,提出了基于热耗散特征重构的能量法固化度在线监测方法。根据输入电能与整体热能变化的差值的时域分布特征,实时重构CFRP构件整体热耗散,实现了不依赖于对照等效的固化度直接在线监测。通过有限元数值仿真与实际实验,验证了该方法的有效性,结果表明:与对照等效热耗散法相比,本方法在数值仿真中的固化度计算误差为2.3%,在实际实验中的误差为5.0%。(3)基于能量转化平衡的固化度在线监测方法,设计了自阻电热工艺在线监测固化系统,实现了基于能量法固化度在线监测的工艺在线调控。结果表明:在保证最终弯曲性能的同时,基于能量法固化度在线监测的固化工艺实时调控,使得固化周期缩短了42.0%,固化能耗降低了36.4%。
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