大型复合材料构件固化变形分析方法研究进展

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1、封面文章COVERSTORY大型复合材料构件固化变形*分析方法研究进展ResearchProgressofCuringDeformationAnalysisMethodforLargeCompositeStructures西北工业大学航空学院郑锡涛刘振东梁晶大型复合材料结构能够减轻结构重量、减少零件数量，降低装配和使用成本，在航空航天领域得到广泛应用。但其固化变形会导致一定的形状误差，难以满足无应力装配的需求，因此有效预测大型复合材料构件固化变形尤为重要。经过国内外学者的长期研究，已经建立了较为完善的理论

2、基础，但在工程实践应用中尚有待提高。DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.14.032郑锡涛整体成型的大型复合材料构件化过程的各个因素进行简要分析，并西北工业大学航空学院教授，博士能够减轻结构重量、减少零件数量、给出有限元分析方法。生导师，航空结构工程系主任。长期从降低生产成本与装配成本。然而，由事航空复合材料及其结构的力学行为研于材料本身的各向异性、基体的固化复合材料构件固化过程中的究与教学工作。主要研究兴趣：复合材料损伤、湿热效应、结构设计与分析、新收缩效应、构件与模具之

3、间的相互作温度场分析型纺织复合材料力学性能宏细观分析、用等因素，结构内部将不可避免地产先进航空复合材料构件采用热试验技术等。主持国家自然科学基金、生残余应力，进而引起复合材料结构压罐工艺成型时，在升温过程中的热中航创新基金、航空科学基金、国际合作项目、航空预研课题等50余项，获省部件在脱模后产生回弹变形以及翘曲源有2个：外热源（热压罐的加热过级科技进步奖5项，授权专利5项，主编变形。这种固化变形会产生一定的程）；内热源（树脂基复合材料固化专著和教材3部，在国内外学术刊物和尺寸误差，从而使复合材料构件无法放

4、热过程）。会议上发表论文110余篇。满足现代飞机无应力装配的要求，这1外部热源对复合材料固化过程中种现象在大型飞机复合材料构件上温度场的影响尤为明显。为预测并控制这种变形，外热源对固化过程的影响主要国内外学者对复合材料的固化变形表现在热压罐环境温度变化导致模*西北工业大学研究生创意创新种子基金资助。进行了大量研究。本文将对影响固具温度发生改变，进而影响复合材料32航空制造技术·2015年第14期封面文章COVERSTORY构件的温度场。目前，外热源对复合3复合材料构件固化过程中的温度值出现在20%~40%

5、附近。自催化材料温度场的影响，主要集中在2方场分析模型的具体形式为：面：（1）热压罐内气体流动传热过程大多数的研究者采用傅里叶热dα=(k+kαm1)(1−α)n112，（5）dt导致的热压罐内部温度场分布不均传导控制方程描述复合材料固化过−∆Eai−∆Eai−∆EaRTi匀；（2）模具设计原因导致的模具型程中的热传导，复合材料构件中的热ki式中，=Aieki=AieRTRT(i=1,2)，k1和k2为面温度场分布不均匀。平衡方程可以采用式（2）表达。反应速率常数，Ai为是频率因子，m1针对热压罐内部温度

6、场分布情ρ(α,T)C(α,T)∂T=∂(k∂T)+∂(和k∂nT1为反应级数，Δ)+∂(k∂T)+ΦEa为自催化模pxyzi[1]∂t∂x∂x∂y∂y∂z∂z况，张铖等利用计算流体力学中型的活化能。∂T∂∂T∂∂T∂∂T的三维非定常N-S方程，以及湍流ρ(α,T)Cp(α,T)=(kx)+(ky)+(kz)+ΦΦ，（2）∂t∂x∂x∂y∂y∂z∂z模型，模拟了热压罐强迫对流换热材料性能随固化反应的式中，ρ（α，T）为复合材料密度；Cp变化条件下的温度场分布情况。贾成贵（α，T）为复合材料比热容；T为绝[

7、2]等经过试验，测得有效工作容积为随着固化反应的进行，复合材料对温度；kx、ky、kz分别为复合材料沿φ2.6m×8.0m的热压罐，实际达到的力学性能也会发生变化。目前模x、y、z方向的导热系数。的温度均匀度为±2.5℃，热压罐空载拟材料性能随化学反应变化的方式温度场均匀度较好。针对模具因素导固化动力学模型主要有两种：（1）由试验测定在不同[1]致的型面温度场不均匀，张铖等研的固化阶段下材料的力学性能，并进固化反应动力模型通过数学形究了热压罐内采用框架式模具进行行拟合；（2）认为纤维性能不变，树式来描述在

8、某时刻或温度下，树脂已固化成型时，框架式模具型面上的温脂性能随化学反应变化，然后从细观转化的物质的量和转化速率之间的度场分布情况。梁宪珠等指出框架力学出发拟合复合材料性能。关系。目前，国内外学者对固化过程[6]式模具升降温快，有利于模具各点温White等针对AS4/3501-6在的描述主要分为唯象模型和机理模[3]度均匀。[5]不同固化度阶段下的性能进行了试型。从工程实践角度出发，唯象模由于框架式模具各点温度分布验测定，认为复