复合材料薄层板常温固化翘曲分析.pdf

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1、工程塑料应用2011年，第39卷，第12期复合材料薄层板常温固化翘曲分析管旭张洛明张军(郑州大学机械工程学院，郑州450001)摘要采用热传导和固化动力学方程计算出复合材料薄层板的生热率，并用ANSYS有限元分析软件对复合材料薄层板的固化温度场及应力场进行模拟，最后对翘曲变形进行预测。结果表明，在复合材料薄层板固化过程中，温度变化和材料热膨胀系数不一致是导致复合材料薄层板常温固化翘曲变形的主要原因。关键词复合材料薄层板常温固化翘曲预测纤维增强复合材料比刚度、比强度高，具有质1、模型的建立轻、耐腐蚀、设计自由度大等特点，因此得到了广泛图1为建立

2、复合材料薄层板的ANSYS模型，的应用。复合材料的固化过程是复合材料的基体材上、下两块板均由玻璃纤维增强聚酯树脂组成。每料发生化学交联反应的过程，是一个复杂的热、化块板长宽均为30cm,厚0．2cm，模拟两层正交铺学、力学的耦合变化过程，极容易产生内部残余应层。上下两铺层的材料参数按参考文献[6]如表l、力，从而发生翘曲变形。表2所示，材料热膨胀系数方向成90~。复合材料LiucJ等¨从树脂材料角度研究了大型构件薄层板网格模型采用SOLID70‘三维单元，并映射划的变形和翘曲。M．w．Hyer对经典层压板理论进分网格，如图2所示。分析单元数2

3、8800，节点总数行了改进，引入了几何非线性，得出了一些结论。张33489。振国研究了常温下树脂基复合材料层合板固化时的收缩及翘曲变形，认为层合板各层不同的树脂含量是翘曲变形的主要因素；对称的铺层结构能有效降低复合材料薄层板收缩与变形。张继奎根据热传导和固化动力学理论，用三维有限元法，对正交各向异性复合材料层合板固化过程的温度和固化度历程及其变化规律进行数值模拟。结果表明，厚度越大，温度峰值越高，中心点开始固化越晚；不同纤维体积含量层合板在固化初期是同步的。官霆分析复合材料铺层的微观结构，研究复合材料成型过程变形特点，以此建立两类针对性的有限

4、元模型，并采用典型复合材料叠层板固化成型温度载荷，进图2复合材料薄层板网格模型行叠层板翘曲变形和板内应力的计算分析。表1复合材料薄层板热学性能参数这些研究主要集中在温度热载荷作用下树脂位材密度／比热容／Kl1”／w·2／w·3”／w·置料kg·ⅡfJ·(kg·K)(m·K)(m·K)(m．K)收缩或铺层方式引起的翘曲变形，然而对生热率载上层l18901：2600．4326O．2l63O．2163荷作用下热膨胀系数不一致引起翘曲变形的研究很下层2189012600．2l630．4326O．2163少。树脂交联反应是一个内部生热的过程，因此采注：

5、1)三个主方向的热传导系数。用生热率载荷更符合实际情况。2复合材料薄层板固化温度场分析笔者基于热传导控制方程和固化动力学方程，2．1热传导控制方程和固化动力学方程计算出固化过程中各个时段的生热率，建立复合材(】)固化放热原理料薄层板的ANSYS模型，然后进行复杂温度场的复合材料固化过程中温度场分布本质上是一模拟和热应力耦合分析，找出影响复合材料薄层板个具有非线性内热源的热传导问题，其中的内热源常温固化翘曲变形的因素。收稿日期：2011-09．18管旭，等：复合材料薄层板常温固化翘曲分析47表2复合材料薄层板力学性能参数位El”／武E，Gl2’

6、／Gz3／G3l’／置GPaGPaGPaGPaGPaGPa12¨23)口．／℃2／℃n3／屯上层13210-3lO_36．53．9l6．5O．25O-38O．250．018×120．7×l0_62O．7×l0_6下层l0．313210-36．56．53．910．250．250-3820．7×1O_60．O18×lO20．7×lO传导定律和能警量平衡关系建立该问题的数学模型。p‘Ot一、呶告嘶⋯．鲁+秭+警+=(1)o=o‘在边界上‘6’Q—所产生瀛的热量；位时间内由于固化反应K一xx警+秭K警十K～zz磐nz=h‘(Oo-p——密度；(在r3

7、边界上)(8)c——比热；式中：p——密度，kg／m；脂固化总反应放热，其值：哩妻登墅，’‘在自然。对流条矗件下是夕}、界’，．一一一固化反应速率用固化反应动力学方程表示为：Q域的全部边界。一’式中：——频率因子；R——普适气体常数，R=8．31J／mol·K；‘gm——树脂材料的试验拟合常数；●——树脂材料的试验拟合常数；＼瓣△卜活化能。。“(2)温度场方程在一般三维问题中，根据Fourier传热定律和能tmin量守恒定律，可以建立传热问题的控制方程，即瞬态图3复合材料薄层板生热率历程图温度场的场变量，y’z’在直角坐标中应满足的依照文献⋯

8、中GF增强聚酯复合材料薄层板微分方程是：模型，建立长、宽均为15．24cm，厚度为2．54cm的管旭，等：复合材料薄层板常温固化翘曲分析49从图8可以看出，最大热应