復(fù)合材料熱壓罐成形工藝模擬特色實驗

李艷霞++顧軼卓++李敏++張佐光

摘 要：先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料熱壓罐成形工藝模擬特色實驗，以自主開發(fā)的熱壓罐工藝成形工藝數(shù)值模擬平臺為基礎(chǔ)，基于計算機模擬的熱壓罐工藝?yán)碚摲治?，引?dǎo)學(xué)生掌握復(fù)合材料熱壓工藝過程復(fù)雜的物理化學(xué)變化及其對復(fù)合材料成形質(zhì)量的影響，提升學(xué)生的實驗設(shè)計及分析能力，深入理解熱壓罐成形原理和工藝控制理論。結(jié)果表明，通過實驗的自主設(shè)計，學(xué)生可以有效掌握熱壓成形工藝數(shù)值模擬方法和工藝原理，開拓學(xué)習(xí)方法，為材料科學(xué)以及與試驗相關(guān)的其它學(xué)科的研究提供一種研究思路和研究途徑。

關(guān)鍵詞：樹脂基復(fù)合材料 熱壓罐工藝 實驗

中圖分類號：TB332；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0059-04

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有比強度高、可設(shè)計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、便于大面積整體成形以及電磁性能可調(diào)等特點，是航空航天裝備的關(guān)鍵材料之一。成本過高是制約先進(jìn)復(fù)合材料大量應(yīng)用的一個非常突出的問題，其中制造成本是其最高單項，約占復(fù)合材料總成本的70%～85%，制造成本過高的主要原因如下：（1）“炒菜式”研發(fā)模式，制造方法的選擇和工藝參數(shù)的優(yōu)化均須要憑經(jīng)驗和實驗，從試樣到縮比件多次試驗，造成工藝研究費用高，科學(xué)性差；（2）制造規(guī)范不通用，從大量試驗摸索形成的較合理的制造工藝規(guī)范，只適用特定構(gòu)件形式，當(dāng)制件的結(jié)構(gòu)形式改變，又需要新做大量試驗，耗資耗時；（3）復(fù)合材料制造質(zhì)量的可控性差，造成復(fù)合材料性能分散，材料許用值低，制件合格率低。基于數(shù)值模擬方法，開展先進(jìn)復(fù)合材料的制造過程機理分析是解決先進(jìn)復(fù)合材料制造成本和制造質(zhì)量控制問題的重要途徑。

武漢理工大學(xué)材料學(xué)院和天津工業(yè)大學(xué)、洛陽理工學(xué)院材料系針對復(fù)合材料本科專業(yè)開設(shè)綜合性實驗，強調(diào)實驗教學(xué)，不僅有利于學(xué)生對科學(xué)知識的學(xué)習(xí)，同時對提高學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)實驗?zāi)芰?、增強探究意識和促進(jìn)創(chuàng)新能力具有重要作用[1-3]?！稄?fù)合材料熱壓成型工藝模擬特色實驗》是北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在大專業(yè)培養(yǎng)模式基礎(chǔ)上[4-6]，為高分子及復(fù)合材料專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)特色選課，它是基于數(shù)值模擬手段的專業(yè)實驗課程。熱壓罐成形工藝是航空航天領(lǐng)域制備先進(jìn)復(fù)合材料的主要成形方法之一，復(fù)合材料熱壓成型過程包括溫度作用下樹脂體系化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)、樹脂交聯(lián)結(jié)構(gòu)變化，壓力作用下樹脂流動/纖維密實等物理化學(xué)作用，涉及到高分子物理、高分子化學(xué)、滲流力學(xué)、材料力學(xué)等多學(xué)科知識。工藝模擬特色實驗不是簡單的數(shù)值模擬軟件操作學(xué)習(xí)，而是通過工藝數(shù)值模擬實驗，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用復(fù)合材料理論知識，掌握復(fù)合材料熱壓罐成形工藝的原理。復(fù)合材料熱壓成型工藝模擬軟件平臺是在多個國家級重點基礎(chǔ)項目支撐下，基于實驗和數(shù)值理論方法，建立的復(fù)合材料熱壓成型過程數(shù)字化模擬與工藝評價平臺，對于縮短復(fù)合材料研制周期、提高制件質(zhì)量可靠性、改變傳統(tǒng)的復(fù)合材料研制模式（試錯法和經(jīng)驗法），具有重要的意義[7-8]。基于軟件平臺，學(xué)生自主設(shè)計改變材料、工藝、結(jié)構(gòu)因素，分析制件內(nèi)溫度、固化度、樹脂壓力、纖維體積分?jǐn)?shù)等分布及變化規(guī)律，對于深入理解熱壓罐成形原理和工藝控制理論，提升學(xué)生的實驗設(shè)計及分析能力具有重要意義，同時為材料科學(xué)以及與試驗相關(guān)的其它學(xué)科的研究提供一種研究思路和研究途徑，開拓學(xué)習(xí)方法。

1 實驗設(shè)計

實驗方案及技術(shù)路線如圖1所示。

2 實驗方案

在樹脂基體工藝特性分析基礎(chǔ)上，學(xué)生自主設(shè)計三組工藝參數(shù)（T-t，P-t），基于復(fù)合材料熱壓成型過程數(shù)值模擬平臺，針對等厚層板計算不同工藝條件下層板內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)及其分布，根據(jù)制備層板的纖維體積分?jǐn)?shù)判定工藝參數(shù)的合理性，理解工藝參數(shù)對于成型過程的重要性；工藝參數(shù)不變，改變鋪層方式，考察層板內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)及其分布，了解鋪層方式對成型過程的影響；改變材料體系，了解不同材料體系工藝特性的區(qū)別。

3 實驗案例

3.1 復(fù)合材料熱壓罐成形熱傳導(dǎo)/樹脂固化反應(yīng)過程數(shù)值模擬

（1）實驗問題的詳細(xì)描述。

以30層玻纖布/環(huán)氧層板為對象，層板尺寸為100×100 mm，初始厚度為3.86 mm，初始纖維體積分?jǐn)?shù)59%，平面尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向溫差。

溫度制度：從室溫以2 ℃/min上升到 130 ℃并保溫60 min，然后再以2 ℃/min從130 ℃升到180 ℃并保溫30 min，然后自然冷卻。

（2）分析問題，確定材料參數(shù)[7]等。

（3）建立研究問題的幾何模型。

平面尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向溫差，且上下面板對稱加熱。因此，取層板厚度的一半建模，平面尺寸可以為厚度的數(shù)倍。長度單位：mm。

（4）建立邊界條件。

初始條件：預(yù)浸料疊層初始溫度設(shè)置298K，固化度為非零極小數(shù)，如0.000001。

上邊界（AB）：設(shè)定工藝溫度，即為隨時間變化的溫度曲線。

左右邊（AC和BD）：對稱邊界，溫度T的法向梯度為零。

底邊界（CD）：層板中心面為對稱邊界，溫度T的法向梯度為零。

（5）網(wǎng)格剖分，建立有限元網(wǎng)格模型。

分析區(qū)域為規(guī)則四邊形，采用四節(jié)點四邊形結(jié)構(gòu)化（structure）單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，X，Y方向分別劃分20個單元。

（6）退出前處理軟件Gid，運行exe文件，開始計算求解。

（7）計算結(jié)果處理分析。

3.2 復(fù)合材料熱壓罐成形樹脂流動/纖維密實過程數(shù)值模擬

（1）實驗問題的詳細(xì)描述。

以30層玻纖/環(huán)氧層板為對象，預(yù)浸料上下表面對稱吸膠，且吸膠材料鋪放量足夠多，樹脂凝膠之前吸膠材料未達(dá)到飽和狀態(tài)，層板四周有擋條約束，使其不發(fā)生平面內(nèi)的樹脂流動，且平面尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向流動。endprint

材料體系：玻纖/環(huán)氧；層板尺寸：100×100 mm；初始厚度為3.86 mm；初始纖維體積分?jǐn)?shù)59%；

工藝制度：從室溫以2 ℃/min上升到130 ℃并保溫60 min，然后再以2 ℃/min從130 ℃升到180 ℃并保溫30 min，然后自然冷卻；在130 ℃保溫30 min時刻施加0.4 MPa壓力。

（2）分析問題，確定材料參數(shù)[7]，邊界條件等。

（3）建立研究問題的幾何模型。

平面尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向流動，且層板為對稱吸膠。因此，取層板厚度的一半建模，平面尺寸可以為厚度的數(shù)倍。長度單位：mm。

（4）建立邊界條件。

上邊界（AB）：施加外加壓力F=Pa為均布力，同時上邊界為吸膠邊界，液體出口壓力為P=0（相對大氣壓），在壓力作用下，預(yù)浸料疊層發(fā)生變形，UV無約束。

左右邊（AC和BD）：對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，平面位移為零。

底邊界（CD）：層板中心面為對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，同時約束層板在x，y方向的位移即底邊固定。

（5）網(wǎng)格剖分、計算結(jié)果處理，同熱傳導(dǎo)問題。

3.3 實驗結(jié)果及分析

（1）熱傳導(dǎo)/固化反應(yīng)過程數(shù)值模擬結(jié)果。

典型算例的結(jié)果如圖7～8所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置溫度和固化度隨時間的變化規(guī)律，以及任意時刻層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律，并由此可以分析層板內(nèi)溫度和固化度不均勻性。改變工藝制度（升溫速率、平臺溫度、恒溫時間等）、層板厚度會對層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律產(chǎn)生影響，學(xué)生自主設(shè)計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復(fù)合材料熱壓罐成形過程熱傳導(dǎo)/樹脂固化反應(yīng)規(guī)律。

（2）樹脂流動/纖維密實過程數(shù)值模擬結(jié)果。

典型算例的結(jié)果圖9所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化規(guī)律，任意時刻層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，可以分析層板內(nèi)纖維密實程度不均以及樹脂壓力，并可以得到預(yù)浸料疊層厚度隨密實時間的變化規(guī)律。改變工藝制度（壓力、加壓時機等）對層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響密實質(zhì)量。學(xué)生自主設(shè)計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復(fù)合材料熱壓罐成形樹脂流動和纖維體積分?jǐn)?shù)的變化，進(jìn)而分析孔隙、富樹脂等工藝缺陷。

4 結(jié)語

實驗教學(xué)作為提升學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的必須途徑，將自主開發(fā)的復(fù)合材料熱壓工藝模擬平臺用于實驗課程，充分體現(xiàn)了科研成果與實驗教學(xué)的有機結(jié)合。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料熱壓罐工藝仿真特色實驗具有節(jié)約時間、實驗成本低等特點，模擬仿真可以虛擬呈現(xiàn)復(fù)合材料在成形過程物理化學(xué)變化規(guī)律，對于學(xué)生深入理解課堂理論知識具有重要意義。這種新的實驗教學(xué)模式，促使學(xué)生了解數(shù)值模擬方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用，為培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)今科技和經(jīng)濟高速發(fā)展需求的高層次綜合型高素質(zhì)的創(chuàng)新人才奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王翔，王鈞，楊小利.復(fù)合材料與工程專業(yè)綜合性實驗的設(shè)計與探討[J].科教文匯，2012年9月（下旬刊）：54-55.

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[3] 劉少兵，付新建，周思凱，等.復(fù)合材料試驗技術(shù)課程實驗教學(xué)研究[J].廣州化工，2011，39（17）：130-131.

[4] 楊光，付春娟，李松梅，等.高分子材料合成技術(shù)綜合實驗教學(xué)改革[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（6）：242-245.

[5] 李敏，顧軼卓，李艷霞，等.聚合物基復(fù)合材料專業(yè)課程考核方式改革探析[J].陜西教育，2012（10）：62-63.

[6] 段躍新，肇研.復(fù)合材料液體成型工藝特色實驗[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2013，11（2）：12-15.

[7] 李艷霞.先進(jìn)復(fù)合材料熱壓流動/壓縮行為數(shù)值模擬與工藝質(zhì)量分析[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2008.

[8] 顧軼卓.先進(jìn)復(fù)合材料熱壓工藝流動/密實表征分析與理論預(yù)測[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2007.endprint

材料體系：玻纖/環(huán)氧；層板尺寸：100×100 mm；初始厚度為3.86 mm；初始纖維體積分?jǐn)?shù)59%；

工藝制度：從室溫以2 ℃/min上升到130 ℃并保溫60 min，然后再以2 ℃/min從130 ℃升到180 ℃并保溫30 min，然后自然冷卻；在130 ℃保溫30 min時刻施加0.4 MPa壓力。

（2）分析問題，確定材料參數(shù)[7]，邊界條件等。

（3）建立研究問題的幾何模型。

平面尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向流動，且層板為對稱吸膠。因此，取層板厚度的一半建模，平面尺寸可以為厚度的數(shù)倍。長度單位：mm。

（4）建立邊界條件。

上邊界（AB）：施加外加壓力F=Pa為均布力，同時上邊界為吸膠邊界，液體出口壓力為P=0（相對大氣壓），在壓力作用下，預(yù)浸料疊層發(fā)生變形，UV無約束。

左右邊（AC和BD）：對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，平面位移為零。

底邊界（CD）：層板中心面為對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，同時約束層板在x，y方向的位移即底邊固定。

（5）網(wǎng)格剖分、計算結(jié)果處理，同熱傳導(dǎo)問題。

3.3 實驗結(jié)果及分析

（1）熱傳導(dǎo)/固化反應(yīng)過程數(shù)值模擬結(jié)果。

典型算例的結(jié)果如圖7～8所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置溫度和固化度隨時間的變化規(guī)律，以及任意時刻層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律，并由此可以分析層板內(nèi)溫度和固化度不均勻性。改變工藝制度（升溫速率、平臺溫度、恒溫時間等）、層板厚度會對層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律產(chǎn)生影響，學(xué)生自主設(shè)計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復(fù)合材料熱壓罐成形過程熱傳導(dǎo)/樹脂固化反應(yīng)規(guī)律。

（2）樹脂流動/纖維密實過程數(shù)值模擬結(jié)果。

典型算例的結(jié)果圖9所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化規(guī)律，任意時刻層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，可以分析層板內(nèi)纖維密實程度不均以及樹脂壓力，并可以得到預(yù)浸料疊層厚度隨密實時間的變化規(guī)律。改變工藝制度（壓力、加壓時機等）對層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響密實質(zhì)量。學(xué)生自主設(shè)計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復(fù)合材料熱壓罐成形樹脂流動和纖維體積分?jǐn)?shù)的變化，進(jìn)而分析孔隙、富樹脂等工藝缺陷。

4 結(jié)語

實驗教學(xué)作為提升學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的必須途徑，將自主開發(fā)的復(fù)合材料熱壓工藝模擬平臺用于實驗課程，充分體現(xiàn)了科研成果與實驗教學(xué)的有機結(jié)合。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料熱壓罐工藝仿真特色實驗具有節(jié)約時間、實驗成本低等特點，模擬仿真可以虛擬呈現(xiàn)復(fù)合材料在成形過程物理化學(xué)變化規(guī)律，對于學(xué)生深入理解課堂理論知識具有重要意義。這種新的實驗教學(xué)模式，促使學(xué)生了解數(shù)值模擬方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用，為培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)今科技和經(jīng)濟高速發(fā)展需求的高層次綜合型高素質(zhì)的創(chuàng)新人才奠定了基礎(chǔ)。

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[7] 李艷霞.先進(jìn)復(fù)合材料熱壓流動/壓縮行為數(shù)值模擬與工藝質(zhì)量分析[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2008.

[8] 顧軼卓.先進(jìn)復(fù)合材料熱壓工藝流動/密實表征分析與理論預(yù)測[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2007.endprint

材料體系：玻纖/環(huán)氧；層板尺寸：100×100 mm；初始厚度為3.86 mm；初始纖維體積分?jǐn)?shù)59%；

工藝制度：從室溫以2 ℃/min上升到130 ℃并保溫60 min，然后再以2 ℃/min從130 ℃升到180 ℃并保溫30 min，然后自然冷卻；在130 ℃保溫30 min時刻施加0.4 MPa壓力。

（2）分析問題，確定材料參數(shù)[7]，邊界條件等。

（3）建立研究問題的幾何模型。

平面尺寸遠(yuǎn)大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向流動，且層板為對稱吸膠。因此，取層板厚度的一半建模，平面尺寸可以為厚度的數(shù)倍。長度單位：mm。

（4）建立邊界條件。

上邊界（AB）：施加外加壓力F=Pa為均布力，同時上邊界為吸膠邊界，液體出口壓力為P=0（相對大氣壓），在壓力作用下，預(yù)浸料疊層發(fā)生變形，UV無約束。

左右邊（AC和BD）：對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，平面位移為零。

底邊界（CD）：層板中心面為對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，同時約束層板在x，y方向的位移即底邊固定。

（5）網(wǎng)格剖分、計算結(jié)果處理，同熱傳導(dǎo)問題。

3.3 實驗結(jié)果及分析

（1）熱傳導(dǎo)/固化反應(yīng)過程數(shù)值模擬結(jié)果。

典型算例的結(jié)果如圖7～8所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置溫度和固化度隨時間的變化規(guī)律，以及任意時刻層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律，并由此可以分析層板內(nèi)溫度和固化度不均勻性。改變工藝制度（升溫速率、平臺溫度、恒溫時間等）、層板厚度會對層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律產(chǎn)生影響，學(xué)生自主設(shè)計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復(fù)合材料熱壓罐成形過程熱傳導(dǎo)/樹脂固化反應(yīng)規(guī)律。

（2）樹脂流動/纖維密實過程數(shù)值模擬結(jié)果。

典型算例的結(jié)果圖9所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化規(guī)律，任意時刻層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，可以分析層板內(nèi)纖維密實程度不均以及樹脂壓力，并可以得到預(yù)浸料疊層厚度隨密實時間的變化規(guī)律。改變工藝制度（壓力、加壓時機等）對層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響密實質(zhì)量。學(xué)生自主設(shè)計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復(fù)合材料熱壓罐成形樹脂流動和纖維體積分?jǐn)?shù)的變化，進(jìn)而分析孔隙、富樹脂等工藝缺陷。

4 結(jié)語

實驗教學(xué)作為提升學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神的必須途徑，將自主開發(fā)的復(fù)合材料熱壓工藝模擬平臺用于實驗課程，充分體現(xiàn)了科研成果與實驗教學(xué)的有機結(jié)合。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料熱壓罐工藝仿真特色實驗具有節(jié)約時間、實驗成本低等特點，模擬仿真可以虛擬呈現(xiàn)復(fù)合材料在成形過程物理化學(xué)變化規(guī)律，對于學(xué)生深入理解課堂理論知識具有重要意義。這種新的實驗教學(xué)模式，促使學(xué)生了解數(shù)值模擬方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用，為培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)今科技和經(jīng)濟高速發(fā)展需求的高層次綜合型高素質(zhì)的創(chuàng)新人才奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[8] 顧軼卓.先進(jìn)復(fù)合材料熱壓工藝流動/密實表征分析與理論預(yù)測[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2007.endprint