【摘 要】
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随着航空飞机性能的提升和减重需求的增加,纤维增强树脂基复合材料在新一代飞机应用占比越来越大,而复合材料高制造成本的劣势也越来越突出。树脂转移模塑成型(Resin Transfer Molding,RTM)工艺作为一种最具代表性的低成本高质量制造工艺,已成为树脂基复合材料的主导工艺技术之一。为解决目前RTM工艺参数设计需进行大量试验改进,成本高且效率低,并且成型制件报废率高等问题,本文考虑了非等温充
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随着航空飞机性能的提升和减重需求的增加,纤维增强树脂基复合材料在新一代飞机应用占比越来越大,而复合材料高制造成本的劣势也越来越突出。树脂转移模塑成型(Resin Transfer Molding,RTM)工艺作为一种最具代表性的低成本高质量制造工艺,已成为树脂基复合材料的主导工艺技术之一。为解决目前RTM工艺参数设计需进行大量试验改进,成本高且效率低,并且成型制件报废率高等问题,本文考虑了非等温充模过程对固化过程的影响,通过仿真数字化技术实现低成本、高效率的工艺参数设计和优化,以提高复合材料成型效率与制件质量。本文以RTM整体工艺过程为研究对象,开发了一套流场-温度场-化学场三场耦合的非等温RTM工艺过程仿真程序,搭建了非等温充模和固化过程实验平台,分析了温度和固化度在树脂基复合材料成型过程中的影响规律,探讨了充模过程对固化的影响,研究了降低复合材料固化变形的温度制度优化方法,主要研究工作如下:(1)开发流场-温度场-化学场三场耦合的非等温RTM工艺过程仿真程序。基于树脂流动、传热能量方程及固化动力学模型等理论基础,以商用软件ANSYS为开发平台对RTM工艺过程数值仿真系统二次开发,基于VOF方法实现树脂充模过程中多相流界面重构及追踪,通过用户自定义程序(UDF)将传热能量方程、固化动力学模型、树脂粘度模型导入,实现流场-温度场-化学场三场耦合分析。(2)设计并搭建非等温充模-固化实验平台,通过实验测量树脂和纤维重要物理化学特性参数。通过粘度实验、DSC实验测量E51/DDM树脂体系粘度模型和固化动力学模型参数及总放热量,对纤维预制体孔隙率及各方向渗透率大小进行了实验测量。通过非等温充模-固化实验平台,将RTM工艺过程中制件内部树脂流动方向及厚度方向温度变化实验结果与所开发软件模拟结果进行对比,结果基本吻合,验证了所开发仿真程序结果的准确性。(3)探究了温度及固化度对固化变形的影响规律,以温度-固化度梯度为度量对不同制件进行温度制度优化研究。通过细观力学模型分析了复合材料在固化过程中力学性能的变化过程,着重分析了温度因素对复合材料制件固化变形的影响,针对复合材料成型过程中温度和固化度分布不均引起的固化变形,以温度-固化度梯度为度量,通过软件仿真程序对两种不同制件进行温度制度优化研究,优化后制件均在树脂凝胶点之前实现内部固化度均匀,并极大的提高了成型效率。
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