尺寸对复合材料板固化过热温度影响的模拟研究
第６期(总第２１１期)
２０１８年１２月
机械工程与自动化
M E C HA N I C A L 一E N G I N E E R I N G一&一A U T OMA T I O N
N o ．６
D e c ．
文章编号:１６７２Ｇ６４１３(２０１８)０６Ｇ００８０Ｇ０２
尺寸对复合材料板固化过热温度影响的模拟研究
荆宏达,余一芬
(中国民航大学航空工程学院,天津一３００３００
)摘要:用数值模拟方法计算了碳纤维增强树脂基复合材料板件在热压罐固化工艺过程中的内部温度,选取
４０m m 和６０m m 的复合材料板,研究了厚度一定时长二宽的变化对材料内部局部高温的影响.结果表明:厚度的增大会使固化过程材料中心温度的最大值增大;厚度一定时,在宽度与厚度尺寸相当情况下,整个固化过程中达到的最高温度相对较低,当宽度增大,最大温度也随之升高,在到达一个峰值后过热温度回落,当宽度远大于厚度时,宽度的增大将不再影响过热温度,过热温度将稳定在一个值.关键词:复合材料;厚截面;固化;数值模拟中图分类号:T P ３９１ ７一一一文献标识码:A
收稿日期:２０１８Ｇ０４Ｇ１７;修订日期:２０１８Ｇ１０Ｇ０８
作者简介:荆宏达(１９９１Ｇ
),男,山东淄博人,在读硕士研究生,研究方向:复合材料固化工艺.０一引言
碳纤维增强树脂基复合材料凭借其高比强度二高比模量二耐腐蚀二耐疲劳等性能优势在航空航天领域得到广泛应用,先进复合材料的使用可以为飞行器结构减重２０％~３０％,故其已成为该领域的基本材料之一[１]
.随着复合材料在结构中代替传统材料,一般的薄壁层合板已经不能满足大尺寸部件的要求,对厚截面复合材料的需求开始出现,在空客A ３８０使用的复合材料中,重要承力处的板厚可达４５m m ,
重要连接交点处可达１６０m m [２]
.但是在厚截面复合材料制造中存在很多困难,最显著的问题是树脂固化过程中容易出现中心局部高温,温度梯度大,而这些问题会直接
影响材料最终的力学性能[３]
.S p r i n g
e r 等[４]对树脂的固化过程做了完整的论述,并对固化过程进行了模拟计算.目前对厚截面复合材料的研究都将厚度作为影响因素,然而,对一些厚度较大二宽度较小的部件来说,复合材料板面内尺度的影响就需要加以考虑.本文针对不同长二宽的复合材料板,对其热压罐工艺固化过程中的温度场和固化度场进行计算,并讨论复合材料板宽度对材料中心温度的影响.１一复合材料固化温度场数值模拟１．１一树脂基复合材料固化的物理过程描述
复合材料在热压罐固化工艺过程中,首先炉温升高对预浸料系统加热,使树脂融化,当温度达到树脂固化反应需要的温度后,固化反应开始,并放出热量,因此,这一过程中温度场的计算可以看做一个带有内部热源的传热问题.固化过程中,材料内部的温度可以通过能量守恒方程和固化动力学方程计算出来,忽略对流传热的影响后,能量方程可以表示为:
ρc C c ?T ?x ＝??x K x ?T ?x ()＋??y K y ?T ?y
()＋??z K z ?T ?z ()
＋?Q ?t ．(１)其中:ρ
c 和C c 分别为复合材料的密度和比热;K x 二K y 和K z 分别为沿三个坐标轴方向的热传导系数;T 为温度;?Q ?t
为固化反应的放热速率.放热速率的定义如下:d Q d t ＝ρm V m Q t d αd t
．(２)其中:α二d α/d t 二ρ
m 二V m 二Q t 分别为固化度二放热反应速率二树脂基体的密度二树脂占材料总体的体积分数以及树脂的放热系数.复合材料各个方向的热传导系数为:
K x ＝V f K f ＋V m K m ．(３)K y K m ＝１－２V f
π
()
＋１
B
π－４
１－
B ２V f
π
(
)
t a n
－１
１－
B ２V f
π(
)１＋B
V f
πé?
êêêù?
úúú．(４
)
其中:K x 为顺纤维方向的热传导系数;K y 为垂直于纤维方向的热传导系数;K f 和K m 分别为纤维和树脂基体的热传导系数;V f 为纤维的体积分数;B 为黏性参
数.固化度α可由式(５
)进行求解[５]
:d αd t ＝(B １X １＋B ２X ２)(１－α)(０．４７－α)α＜０．３B ３X ３(１－α)α?０．３
{
．(５)其中:X i ＝e
x p (－ΔE i
R T
),i ＝１,２,３,R 为普适气体常数,ΔE i 为活性能,
ΔE １＝８．０７?１０４,ΔE ２＝７．７８?１０４,ΔE ３＝５．６６?１０４;B １二B ２二B ３均为指数因子,B １＝
２．１０１?１０９,B ２＝－２．０１４?１０９,B ３＝１．９６?１０５
.１．２一有限元建模与计算
为了研究宽度的差异对材料内部温度场的影响,在不同的宽度下计算材料内部的温度场.本文对厚度为４０m m 二宽度为４０m m~１m 和厚度为６０m m 二宽度为６０m m~１m 的复合材料板使用C OM S O L 有限元分析软件进行三维有限元模型的建立与计算,将传热学模型和树脂固化动力学方程耦合求解.固化采用