基于cfd的蒸汽芯模加热过程仿真及结构优化

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1、基于CFD的蒸汽芯模加热过程仿真及结构优化第1章绪论1.1课题背景和研究意义当前，航空、军事、能源运输等行业都对热固性复合材料壳体进行了大量的运用，为企业和社会带来了非常高的经济收益。用此材料制作的壳体有着非常高的比刚度和比强度，成型快，便于设计。复合材料壳体的结构性能和最终费用消耗取决于整个成型工艺过程，属于一体化材料。而如今材料性能与生产成本是复合材料运用和发展中最重要的考量要素[1,2]。热固性复合材料壳体的应用使得成型工艺对材料性能、成本费用消耗非常关键。热芯缠绕工艺通过蒸汽对芯模进行加热处理，让缠绕机上的复合材料壳体能够在缠绕的同时

2、对芯模进行加热处理，让壳体能够一边缠绕一边固化。尽管与传统的工艺相比较，热芯缠绕工艺的成型效率更高，能够使能源得到更充分的运用，最终成品的质量、性能都更佳，但此种工艺依旧存在明显的缺陷，表现在下面几个方面：一，芯模轴向头部温度高，尾部温度低，各区域温度不均衡；二，在小孔附近的芯模外表面温度非常高，尤其是制作小直径壳体的过程中表现的非常明显。三，使用的大幅度入口出口阀门开度虽然能够维持各部分温度的均衡，但却造成蒸汽的大量使用，导致成本费用大幅上涨，能源浪费严重。此外，要想将复合材料树脂粘度降低至相关标准，方便排出，要求复合材料的表面温度必须保持

3、在一定限度内，使其能够在发生固化反应的温度范围之下，避免复合材料表明的树脂成分出现固化反应而不能和复合材料进行交联，造成两者的分层。所以，控制复合材料表面温度非常重要。本篇论文将围绕这两方面展开深入的分析。本文围绕热固性复合材料壳体原位成型原理展开了分析，分析过程使用了加热介质为蒸汽的热芯缠绕工艺，最终将芯模及芯模内部蒸汽物理模型、蒸汽流动与传热过程的数学模型成功构建了起来，通过Fluent(有限元流场分析软件)来模拟仿真蒸汽的加热过程。以仿真结果为依据，对芯模温度场、蒸汽温度场、蒸汽流场等多物理场的分布、变化过程进行记录。此外还对蒸汽控制参

4、数和芯模结构参数和芯模轴向温度与蒸汽压力、温度、速度的分布和变化历程存在的联系展开了深入的分析，让热芯缠绕有更高效的实现方法，使得芯模结构的参数优化有着坚实的理论支持。1.2国内外研究现状缠绕、固化是复合材料壳体成型的两大工艺过程。前一工艺过程与纤维缠绕张力场的分析和缠绕结构的张力场所需反问题的解答存在一定的联系；而后一工艺过程与固化过程的热-化学、纤维运动、树脂流动、应力应变、气泡活动等原理都存在着一定的联系，此外此工艺过程属于在诸多要素共同作用下的耦合场的问题。本篇文章对原位成型工艺展开研究，其中芯模和芯模内蒸汽数值模拟仿真以及成型时芯模

5、和芯模内蒸汽传热过程检测是本文的重点分析内容，和热芯缠绕工艺建模、数值模拟研究以及复合材料的缠绕、固化等过程都存在一定的联系。热芯缠绕工艺是以内固化这一工艺为基础的，原理和干法缠绕热塑型复合材料的热芯成型工艺相类似[3,4]，用电对芯模实施加热处理后，芯模由内往外对热塑型缠绕复合材料进行加热固化，需注意的是，因为在成型时，热塑型材料并不会出现放热性化学反应，所以本文所研究的热固性复合材料的固化和它的固化工艺是不可相提并论的[5]。如今大量专家学者都围绕着纤维缠绕复合材料的缠绕与固化成型工艺过程展开了研究，并且获得的成果颇丰[6-8]。著名的学

6、者Tabuchi[9]在研究中对压缩空气进行加热处理后，将其作为加热源来加热固化缠绕的碳纤维氢气瓶，从而使得气瓶的承压能力得以增强。学者Takahiro[10]提出通过内加热原位成型工艺能够使得预浸带缠绕管道的爆破压力得以有效增强。第2章蒸汽加热过程数学模型2.1热芯缠绕工作原理热芯缠绕原理见下图1-1。芯模为轴对称钢制管体，其中间为空心并且内壁厚度均匀，在芯模的对称轴上设有加热芯管，主要作用就是对芯模中的中空钢管进行加热，因为在加热芯管上均匀排布着很多出气的小孔，且每个位置的小孔都是四个象限对称分布的，能够喷发出高温高压蒸汽。将浸渍了热固性

7、环氧树脂的玻璃纤维束凭借张力控制装置进入到缠绕装置中，而且，通过小车以轴向不断往返移动以及芯模的不断转动，根据线形将玻璃纤维束缠绕到芯模上。另外，根据固化制度以及相应控制参数，高温高压蒸汽进入到有小孔的管子中，来加热芯模内的中空钢管，复合材料因为温度升高而逐渐发生固化反应。在此作用下，复合材料会逐渐由内而外产生固化，使得气泡以及树脂都能够快速排出，有利于提高材料的密实度，而不断转动的芯模对于壳体环向均匀受热有很大作用，而且还能够避免液态树脂的出现堆积，由此，复合材料壳体的成型质量更高，物理性质更为稳定。热缠绕工艺过程中有很多因素都会对复合材料

8、成型质量产生影响，例如影响芯模的加热过程和芯模的结构。正确的加热过程要着眼于复合材料固化反应过程所发生的物理化学反应，在优化处理过程中，要确保复合材料壳体变得紧密结