熱塑性復合材料鋪層過程中溫度場及應力場研究.pdf

1、近年來，熱塑性纖維復合材料由于其高比強度、高比模量和耐燒蝕性能得以廣泛的應用，越來越多的復合材料構件采用自動鋪放成型。由于溫度歷程對復合材料構件成型質量有較大影響，所以對熱塑性復合材料自動鋪層過程的溫度場進行研究對提高鋪放成型質量具有重要意義。目前，國內就復合材料自動鋪層的相關熱分析尚處于起步階段，因此有必要在這方面展開深入研究。
　　 本文基于半無限大固體的一維熱傳導模型建立了復合材料鋪放溫度場數學模型。根據鋪放中實際工況計算

2、出APC-2在自然對流和強制對流兩種情況下的表面對流傳熱系數。對復合材料鋪放過程中的溫度場進行求解，得到溫度場的解析解。數學模型考慮了鋪放過程中熱氣出筒速度、熱氣溫度對溫度場的影響。
　　 為了對理論模型進行驗證并研究工藝參數對溫度場的影響，利用ANSYS對整個鋪放過程熱量的瞬態(tài)熱傳導進行數值模擬，得到復合材料構件內部溫度場在空間上的分布及其隨時間的變化。通過APDL編程和生死單元技術模擬熱載隨鋪放頭移動、鋪放過程中預浸料不斷被

3、添加到基體中和樹脂的相變等因素對溫度場的影響，分別討論了不同熱氣溫度和鋪放頭移動速度對粘合點溫度的影響。
　　 在溫度場分析的基礎上，首先對求解鋪層過程中復合材料熱應力的有限元法進行分析，建立熱應力場的數學模型;然后利用ANSYS對復合材料鋪層過程中的熱應力以及構件成型后的殘余應力進行求解。熱應力有限元模型中分析了溫度-結構耦合效應，即溫度場于應力場之間的相互作用，把溫度場分析的結果作為應力場分析的熱載荷，便可以對熱應力進行求解

4、;模型還考慮了樹脂熔化對殘余應力的影響，樹脂熔化后具有流動性，因此認為熱應力生成溫度為熔點及低于熔點的溫度。最后分別分析了熱氣溫度和鋪放頭移動速度對殘余應力的影響。
　　 為了驗證碳纖維預浸帶鋪放過程中復合材料溫度場有限元模型的正確性，本文利用自行搭建的鋪放實驗平臺進行了多次預浸帶鋪放實驗，采用自行構建的實時溫度采集系統對鋪放過程中各層預浸帶溫度進行在線采集和存儲。結果表明，隨著鋪放過程的進行，每一層預浸帶的溫度曲線出現多個峰值