CN101089861A - 树脂基复合材料l形层板在成型中树脂流动与层板变形的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用计算机模拟树脂基复合材料L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化方法，该方法包括有制件构形与网格剖分单元、成型工艺参数设置单元、材料特性数据库单元、树脂基复合材料热压成型模拟单元、制件质量预测单元。通过本发明方法能够模拟出L形层板不同位置厚度变化规律，以及层板的剪切变形，获得成型后复合材料层板内部纤维分布和不同位置平均纤维体积分数

。指导L形层板工艺参数的合理制定，为树脂基复合材料L形层板热压成型工业化生产提供数控信息。

Description

树脂基复合材料L形层板在成型中树脂流动与层板变形的模拟方法

技术领域：

本发明涉及一种热压成型的模拟方法，具体地说，是指一种适用于树脂基复合材料L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的模拟方法，是通过计算机和树脂基复合材料热压成型模拟单元实现的，采用本发明方法，在脱离生产线的条件下，预测L形层板变形、评价成型工艺，指导树脂基复合材料L形层板热压成型工业化作业。

背景技术：

热压成型是航空航天领域生产主承力结构先进树脂基复合材料制件最重要的工艺方法，然而高昂的制造成本严重制约了它的发展和应用。除了设备投资高、能耗大、成型周期长、劳动量大等原因外，其成型工艺参数设定不合理造成废品率高是热压工艺成本居高不下的另一重要原因。

树脂基复合材料热压成型典型工艺制度(参见图1C所示)包括有温度与时间的关系(又称温度制度)、压力与时间的关系(又称压力制度)。热压成型过程包括热传导、固化反应放热、树脂流动、层板变形、气泡生长和运动等复杂的变化，工艺制度是决定制件质量的关键因素，同时影响着生产成本的高低。目前在实际生产中更多的是靠经验和大量试验来制定工艺参数，即试错法，这种方法优选出的工艺参数的适用性很差，即使原材料不变而只改变制件的几何结构，也要重新摸索新的工艺规范，这无疑导致了研制周期长、废品率高以及可靠性低等问题。另一种是将专家系统和传感器监测技术相结合，通过设置在固化体系内的传感器实时采集温度、压力等被加工材料的信息并反馈给计算机内的实时监控系统，所述实时监控系统是根据一定的原则对工艺参数进行及时调整，从而对成型过程进行有效控制，即在线固化监控方法。该方法在一定程度上消除了经验法的盲目性，提高了制件质量稳定性，但是传感器一般会留在制件内部从而影响其性能，而且许多传感器和监测设备的价格昂贵，使得这种方法难以迅速推广。此外，专家系统在线监控的质量取决于其原则的完善程度，而对于复杂的情况，制定合理的原则是十分困难的。

在实际应用中，先进树脂基复合材料构件大多数是复杂的异形结构，L形制件是航空航天结构中典型构件形式，由平板和弧形结构组成，参见图2所示三维模型结构示意图。对于等厚层板，通常其厚度远远小于构件的长度和宽度，在成型过程中，树脂在层板面内方向的流动可以忽略，而只考虑层板厚度方向的变形和树脂在层板厚度方向的流动。与等厚层板不同，由于弧形单元存在，厚度方向不同位置的弧长不同(参见图2A所示，BC弧形段比FG弧形段长)，在外力作用下除了厚度方向的变形，同时会产生剪切变形，且不同位置处层板的变形程度不同，树脂承载压力不同，树脂发生二维流动，即厚度方向和面内方向的流动；同时由于复合材料的各向异性，在成型过程中树脂流动和层板变形的定量研究就更加困难，还未见关于L形层板热压成型过程中树脂流动和层板变形的数字化模拟的报道。随着数控系统的智能化提高，建立成型过程数学模型，采用计算机及数值技术，在脱离生产线的情况下，预测制件成型质量、评价成型工艺，可以为成型工艺参数优化、缺陷预测和控制提供重要参考，是目前实现树脂基复合材料低成本、高品质制造的较佳途径之一。

发明内容：

本发明的目的是提出一种模拟L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化方法，是一种适用于树脂基复合材料L形制件热压成型质量数字化预测方法，该RFLD方法以APCPS单元为基础，通过剪切变形与渗流耦合作用的二维流动与层板变形关系式W₁，采用有限单元方法，模拟出L形层板不同位置厚度变化规律，以及层板的剪切变形，获得成型后复合材料层板内部纤维分布和不同位置平均纤维体积分数

指导L形层板工艺参数的合理制定，为树脂基复合材料L形层板热压成型工业化生产提供数控信息。

本发明是一种利用计算机模拟树脂基复合材料L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化方法，该RFLD(Resin Flow Laminate Deformation)方法包括有制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2、材料特性数据库单元3、树脂基复合材料热压成型模拟单元4、制件质量预测单元5。所述层板质量预测单元5，在已知所述制件构形和初始设置参量F₁的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F₂和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F₃，并将初始设置参量F₁、工艺参量F₂和材料参量F₃在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，存储在制件质量预测单元5中。运用本发明RFLD方法能够模拟出L形层板不同位置厚度变化规律，以及层板的剪切变形，获得成型后复合材料层板内部纤维分布和不同位置平均纤维体积分数

指导L形层板工艺参数的合理制定，为树脂基复合材料L形层板热压成型工业化生产提供数控信息。

本发明树脂基复合材料L形层板热压成型中树脂流动与层板变形的数字化模拟(RFLD)方法具有如下优点：

一、制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2通过可视化的界面进行参数设置，将其引入树脂基复合材料热压成型的模拟单元4中，其操作简单，模拟效率高，实时性强；

二、采用较为成熟的材料特性数据库3，使模拟所需的与树脂和纤维特性相关参量的准确度得到了保证，因此模拟精度高；

三、树脂基复合材料热压成型模拟单元4基于数学模型与计算机技术相结合，采用有限单元方法，对复杂的树脂基复合材料L形层板热压成型中树脂流动与层板变形过程进行数字化模拟，能够预测L形层板不同位置的厚度变化和纤维体积分数，避免工业化生产中出现层板内树脂含量过低(贫胶)或过高(富胶)造成的层板质量不合格问题；能够预测成型后L形层板的厚度均匀性，指导L形层板成型工艺的优化，缩短研制周期、降低研制成本，提高L形层板制造质量。

附图说明：

图1为本发明树脂基复合材料热压成型模拟系统的结构示意框图。

图1A为本发明L形层板初始条件设置单元的设置界面示意图。

图1B为本发明成型工艺参数设置单元的设置界面示意图。

图1C为本发明树脂基复合材料热压成型中工艺制度示意图。

图2为本发明L形层板三维模型结构示意图。

图2A为本发明L形层板二维平面结构示意图。

图3为S-2玻璃纤维/环氧648树脂L形层板的剖面结构示意图。

图3A为S-2玻璃纤维/环氧648树脂L形层板的网络剖分示意图。

图3B为S-2玻璃纤维/环氧648树脂L形层板的计算机界面。

图4为第一时间步解析得到的L形层板外边界不同位置厚度方向的变形。

图5为t＝500s解析得到的L形层板外边界不同位置厚度方向的变形。

图6为t＝500s解析得到的L形层板厚度分布。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种利用计算机模拟树脂基复合材料L形层板在热压成型中的树脂流动与层板变形的数字化方法，所述树脂流动与层板变形的数字化方法简称为RFLD(Resin Flow Laminate Deformation)方法；RFLD方法包括有制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2、材料特性数据库单元3、树脂基复合材料热压成型模拟单元4、制件质量预测单元5(参见图1所示)。在本发明中，所述树脂基复合材料热压成型模拟4单元简称为APCPS(Advanced Polymer CompositesProcess Simulation)单元。

所述层板质量预测单元5，在已知所述制件构形和初始设置参量F₁的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F₂和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F₃，并将初始设置参量F₁、工艺参量F₂和材料参量F₃在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，存储在制件质量预测单元5中。

参见图1A所示，在本发明中，制件构形与网格单元1中的制件初始设置参量F₁包括模具类型、吸胶方式、预浸料初始纤维体积分数、预浸料铺层层数、层板初始厚度、模具弧形部位弧度、贴模面弧形半径、横向等厚层板长度、纵向等厚层板长度，这些参量可以通过界面方式进行模拟过程的所需参数录入，可以通过数据文件读取。

参见图1B所示，在本发明中，成型工艺参数设置单元中的工艺参量F₂包括有温度-时间关系、外加正压力、真空度、加压时机，这些参量可以通过界面方式进行参数录入，也可以通过数学模型解析获得后存储于计算机中，等待运用时提取相应的文件即可。

参见图1C所示，树脂基复合材料热压成型典型工艺制度示意图，包括有温度与时间的关系(又称温度制度)、压力与时间的关系(又称压力制度)。图中，横坐标t_c是指工艺时间(单位：s)，0～t_c1表示第一段工艺时间，t_c1～t_c2表示第二段工艺时间，t_c2～t_c3表示第三段工艺时间，t_c3～t_c4表示第四段工艺时间；左边纵坐标T是指在有效工艺时间内的热压成型温度，T₁表示在第一段工艺时间初始温度，T₁取值为18～33℃；T₂表示在第二段工艺时间t_c1～t_c2的温度，T₂取值为70～160℃；T₃表示在第四段工艺时间的温度，T₃取值为100～210℃。在第四段工艺时间t_c4之后自然冷却至室温。横坐标t_cjia表示加压时刻(又称加压时机)，以工艺时间的零点为基准；右边纵坐标是指在有效工艺时间内的热压成型压力，P₁表示真空度值，P₁取值为0.0～0.1MPa；P₂表示t_cjia之前层板所受环境大气压，通常P₂取值为0.1MPa；P₂表示t_cjia之后施加的外力(是指表压)，P₃取值为0.1～2.0MPa。

在本发明中，材料特性数据库单元中的材料参量F₃包括有树脂种类、纤维种类、织物类型、铺层方式；所述树脂种类是环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、双马树脂等；所述纤维种类是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等；所述织物类型是单向预浸料、单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物等；所述铺层方式包括单向铺层、正交铺层、准各向同性铺层等；树脂种类的不同，其粘度模型以及模型中涉及参数的取值不同，可以采用流变仪测试得到；纤维种类、织物类型、铺层方式影响纤维层渗透率、纤维层的压缩特性，采用实验室自行设计的测试装置进行测量；材料特性数据库包含了所述与树脂种类相关的粘度模型中的参数、所述与纤维种类、织物类型、铺层方式相关的渗透率、压缩特性模型中的参数，是北京航空航天大学材料学院经多年对树脂基复合材料体系进行实验研究、测试、测量获得的，具有准确性、可靠性，曾被北京市聚合物基复合材料技术实验室用作工艺分析数据源之一。

在本发明中，公知计算机的最低要求为CPU PIV 1.8G以上，内存256M以上，硬盘20G以上。借用计算机所固有的运算特性，树脂基复合材料热压成型过程的数字化模拟方法操作方便、模拟结果精确。通过计算机模拟能够有效地缩短研制周期、降低研制成本，提高制件质量。

在本发明中，树脂基复合材料L形层板热压成型中树脂流动与层板变形的模拟(RFLD)方法，实施步骤有：

第一步：在所述制件构形与网格剖分单元1中提取制件初始设置参量F₁；在本发明中，根据制件初始设置参量F₁中L形层板初始尺寸，采用计算机技术对L层板进行三维模型，并对建立获得的三维层板图形进行网格剖分处理，获得带有节点的层板模型(参见图3A所示)，并将所述节点层板模型保存为一个文本格式文件(*.TXT)；所述文本格式文件可以方便以后模拟所需参数的提取。L形层板三维结构示意图参见图2所示，图中，XYZ表示固定直角坐标系(又称全局坐标系)。图2A为L形层板二维平面结构示意图，图中，xz表示建立在构形上的局部坐标系，坐标轴的具体方向随构形变化，在横向等厚层板段(ABEF)与全局坐标系重合，在纵向等厚层板段(CDGH)，局部坐标轴方向与全局坐标系坐标轴顺时针旋转90°方向相同；x轴表示在局部坐标系中沿铺层0°方向，z表示在局部坐标系中垂直层板厚度方向。

第二步：在所述成型工艺参数设置单元2中提取工艺参量F₂；

第三步：在所述材料特性数据库单元3中提取材料参量F₃；

第四步：在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中获取二维树脂流动与层板变形关系式W₁，所述二维树脂流动与层板变形关系式W₁是建立在局部坐标系xz上的。

所述二维树脂流动与层板变形关系式

$W_1\⇒\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂z}+\frac{{\∂P}_r}{\∂x}=0\\ \frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂z}+\frac{{\∂P}_r}{\∂z}=0\\ \frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_v}{\∂t}+[\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{S_{\mathrm{xx}}}{\mathrm{\μ}}\frac{\∂P_r}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{S_{\mathrm{zz}}}{\mathrm{\μ}}\frac{\∂P_r}{\∂z}\right)]=0\end{array}\right.$ ，式中，x表示在局部

坐标系中沿铺层0°方向，z表示在局部坐标系中垂直厚度方向，σ_xx表示局部坐标系下x方向应力，τ_xz表示局部坐标系下剪切应力，P_r表示树脂承载压力，ε_v表示体应变，S_xx表示局部坐标系下x方向渗透率，S_zz表示局部坐标系下z方向渗透率，μ表示树脂粘度，t表示模拟时间。

判断模拟过程总时间t是否结束，是，则保存、输出结果；否，则重复根据树脂流动与层板变形关系式W₁进行树脂承载压力P_r、局部坐标系下x方向位移u，局部坐标系下z方向位移v的获取。

在本发明的第一步中的制件构形与网格剖分单元1中制件初始设置参量F₁中的层板初始厚度 $h_0=\frac{{\mathrm{Na}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_f{V}_0},$ 式中，N表示预浸料铺层层数，a_f表示预浸料纤维面密度，ρ_f表示纤维的体密度，V₀表示预浸料初始纤维体积分数。

在本发明中，树脂基复合材料热压成型模拟单元4解析如下：

(一)二维树脂流动与层板变形关系式W₁：

$W_1\⇒\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂z}+\frac{{\∂P}_r}{\∂x}=0\\ \frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂x}+\frac{{\∂\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂z}+\frac{{\∂P}_r}{\∂z}=0\\ \frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_v}{\∂t}+[\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{S_{\mathrm{xx}}}{\mathrm{\μ}}\frac{\∂P_r}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{S_{\mathrm{zz}}}{\mathrm{\μ}}\frac{\∂P_r}{\∂z}\right)]=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，x表示在局部坐标系中沿铺层0°方向的坐标，z表示在局部坐标系中垂直厚度方向，σ_xx表示局部坐标系下x方向应力，τ_xz表示局部坐标系下剪切应力，P_r表示树脂承载压力，ε_v表示体应变，S_xx表示局部坐标系下x方向渗透率，S_zz表示局部坐标系下z方向渗透率，μ表示树脂粘度，t表示模拟时间；

式(1)中应力与应变满足关系式W₂：

$W_2\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}=V_f{\mathrm{E\ϵ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{3\mathrm{\πE}}{{\mathrm{\β}}^4}\·\frac{\sqrt{1+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}-1}{\sqrt{1+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}{(\sqrt{V_a/V_0({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+1)}-1)}^4}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}=G_{\mathrm{xz}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xz}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，σ_xx表示局部坐标系下x方向应力，τ_xz表示局部坐标系下剪切应力，τ_xx表示局部坐标系下x方向应变，σ_zz表示局部坐标系下z方向应力，ε_zz表示局部坐标系下z方向应变，γ_xz表示局部坐标系下剪切应变，G_xz表示材料剪切模量，E表示纤维的弯曲模量，β表示纤维层压缩特性系数，V₀表示预浸料初始纤维体积分数，V_f表示纤维体积分数，V_a表示密实堆积纤维体积分数；

式(1)中应变与位移满足关系式W₃：

$W_3\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}=\frac{\∂u}{\∂x}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{\∂v}{\∂z}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xz}}=\frac{\∂u}{\∂z}+\frac{\∂v}{\∂x}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，ε_xx表示局部坐标系下x方向应变，ε_zz表示局部坐标系下z方向应变，γ_xz表示局部坐标系下剪切应变，u表示局部坐标系下x方向位移，v表示局部坐标系下z方向位移；

在(1)式中，树脂承载压力P_γ、局部坐标系下x方向位移u和局部坐标系下z方向位移v的初始条件为：在层板内任意位置树脂承载压力P_r、局部坐标系下x方向位移u和局部坐标系下z方向位移v均为零；

关系式(1)式的边界条件，以图2A为例进行说明，在预浸料上表面铺放吸胶材料，即ABCD边界，其边界条件为树脂承载压力为0，没有位移约束，边界压力为外加正压力P_a与真空度之和，即工艺压力，并且工艺压力的作用方向始终垂直层板厚度方向；靠近模具边界即EFGH边界，有法向位移约束，树脂承载压力的法向导数为0；边界AE和DH树脂承载压力的法向导数为0，无位移约束。

所述二维树脂流动与层板变形关系式W₁为复杂的流动与变形相互耦合的偏微分方程；所述应力与应变关系式W₂中层板厚度方向的应力σ_zz与应变ε_zz之间是复杂的非线性关系；由于树脂基复合材料的各向异性，所述二维树脂流动与层板变形关系式W₁是建立在局部坐标系下，而对二维树脂流动与层板变形关系式W₁的解析需要在固定直角坐标系(全局坐标系)中进行，需要坐标系转化。因此，二维树脂流动与层板变形关系式W₁的解析是非常困难的。

本发明根据式(1)、(2)、(3)和初始及边界条件，采用有限单元方法解析得到L形层板内部不同位置树脂承载压力P_r，局部坐标系下x方向位移u，局部坐标系下z方向位移v，局部坐标系下x方向应变ε_xx，局部坐标系下z方向应变ε_zz，局部坐标系下剪切应变γ_xz，局部坐标系下x方向应力σ_xx，局部坐标系下剪切应力τ_xz，局部坐标系下z方向应力σ_zz。

(二)本发明中L形层板不同位置处层板厚度h与局部坐标系下z方向位移v的关系式为：

h＝h₀-v    (4)

式中，h₀表示层板初始厚度，v表示局部坐标系下z方向位移；通过式(4)解析得到L形层板不同位置处层板厚度h。

(三)本发明中L形层板不同位置处纤维体积分数V_f与局部坐标系下z方向应变ε_zz的关系为：

$V_f=\frac{V_0}{1+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}---\left(5\right)$

式中，V₀表示预浸料初始纤维体积分数，ε_zz表示局部坐标系下z方向应变；通过式(5)解析得到L形层板不同位置处纤维体积分数V_f。

实施例1：单向铺20层的S-2玻璃纤维/环氧648树脂L形层板

实施例1表示的铺层结构参见图3所示，在从下至上顺序排放有A层纤维101、A层预浸料101、B层预浸料102……N层预浸料120，吸胶纸21。这是一种常见的“预浸料铺层层数”(参见图1A所示)的铺层体系，预浸料是指用于制造复合材料的浸渍了环氧648树脂的S-2玻璃纤维的一种中间材料，是一种市售商品。。

第一步：在所述制件构形与网格剖分单元1中拾取制件初始设置参量F₁，所述制件初始设置参量F₁中模具类型为阳模，吸胶方式为单面吸胶，预浸料初始纤维体积分数为57％，预浸料铺层层数20层，层板初始厚度h₀为2.33mm，阳模成型，模具弧形部位弧度90°，贴模面弧形半径为2mm，横向和纵向等厚层板长度均为25mm。在Patran软件中创建出层板剖面图形(参见图3所示)，然后对所述三维层板图形进行30×100网格剖分处理(参见图3A所示)，获得带有节点的层板模型(显示屏上会有彩色三维图片显示)，并将所述节点层板模型保存为一个文本格式文件，即COMPLEX.TXT；

第二步：在所述成型工艺参数设置单元2中提取工艺参量F₂，温度-时间关系为以2℃/min的升温速率从室温20℃升到90℃，在90℃下恒温30min后以2℃/min的升温速率从130℃升到180℃并恒温1小时，然后自然冷却。根据温度-时间关系在计算机上通过解析生成时间和温度数据，将其保存在data.txt文件中，外加正压力P_a为0.3MPa，真空度为0.1MPa，加压时机为65min。在计算机可视化界面(参见图3B所示)设置模拟总时间为500s、时间步长Δt＝10s。

第三步：在所述材料特性数据库单元3中提取材料参量F₂，树脂种类：环氧648，纤维种类：S-2玻璃纤维，织物类型：单向预浸料，铺层方式：单向铺层，纤维沿0°方向铺放(参见图2所示)。根据所述材料参量，可以从材料特性数据库中提取出计算所需的与纤维和树脂相关参量包括粘度模型、纤维渗透率模型、纤维压缩模型中的参数。

第四步：读取所述第二步中的MLCB.TXT文件，根据树脂流动与层板变形关系式W₁，采用有限单元方法解析得到第一个时间步后层板内不同位置树脂承载压力P_r，局部坐标系下x方向位移u，局部坐标系下z方向位移v。层板外边界厚度方向的变形，如图4所示，图中，等厚层板位置变形比较大，而弧形位置变形较小，并且不同位置层板变形程度不同，层板变形不均匀。

第五步：判断模拟时间是否满足t＝500s，否，则重复第四步；是，则保存输出结果。

解析得到模拟时间t等于设定的模拟总时间，即t＝500s时刻L形层板边外边界(参见图2A所示ABCD边界)沿层板厚度方向的变形如图5所示，图中，等厚层板厚度变化比较大，而弧形位置厚度变化较小；成型后层板厚度如图6所示，L形层板厚度呈现不均匀的现象；层板厚度均匀位置厚度为1.84mm，弧形单元中心位置层板厚度为2.01mm。

验证实例：单向铺20层的S-2玻璃纤维/环氧648树脂L形层板

制件构形：L形层板，预浸料铺层的上表面铺放吸胶纸，预浸料初始纤维体积分数V₀为57％，铺层层数20层，层板初始厚度2.33mm，模具弧形部位弧度90°，贴模面弧形半径为2mm，横向等厚层板长度为25mm，纵向等厚层板长度为25mm。

树脂种类：环氧648，纤维种类：S-2玻璃纤维；织物形式：单向预浸料，铺层方式：单向铺层，纤维沿0°方向铺放(参见图2所示)；其中在本验证实例中，预浸料是指用于制造复合材料的浸渍了环氧648树脂的S-2玻璃纤维的一种中间材料，是一种市售商品。

成型工艺参数，温度-时间关系为：以2℃/min的升温速率从室温20℃升到90℃，在90℃下恒温30min后以2℃/min的升温速率从130℃升到180℃并恒温1小时，然后自然冷却。真空度为0.1MPa，外加正压力大小为0.3MPa，加压时机为65min，制得验证L形层板。采用游标卡尺测量验证L形层板，层板厚度均匀位置厚度为1.80mm，弧形单元中心位置厚度2.1mm。

结果表明：实施例1模拟出的L形层板平板位置厚度与验证实例层板厚度相差为0.04mm，模拟出的L形层板弧形位置厚度与验证实例厚度相差为0.09mm，证明本发明模拟L形层板在热压成型过程中树脂流动与层板变形的数字化方法具有较高的准确度。

本发明是一种利用计算机模拟树脂基复合材料L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化方法，该模拟方法为了解决L形制件在热压成型中层板变形、厚度均匀性差、制件质量较低等问题，利用了剪切与渗流耦合作用的二维树脂流动与层板变形关系式W₁，模拟出L形层板不同位置厚度变化规律，以及层板的剪切变形，获得成型后复合材料层板内部纤维分布和不同位置平均纤维体积分数

实现了在脱离实际生产线的条件下对L形层板成型质量的预测，以及工艺参数的合理制定与优化，为树脂基复合材料L层板的热压成型工业化生产提供数控信息，有利于提高L形制件合格率，缩短研发周期，降低制造成本。

本发明中引用符号所表示的物理意义见下表：

XYZ	表示固定直角坐标系(又称全局坐标系)。
		xz	表示建立在构形上的局部坐标系，参见图2A所示，坐标轴的具体方向随构形变化，在横向等厚层板段(ABEF)与全局坐标系重合，在纵向等厚层板段(CDGH)，局部坐标轴方向与全局坐标系坐标轴顺时针旋转90°方向相同。
x	表示在局部坐标系中沿铺层0°方向。
		z	表示在局部坐标系中垂直厚度方向。

u	表示局部坐标系下x方向位移，单位为m。
		v	表示局部坐标系下z方向位移，单位为m。
Pr	表示树脂承载压力，单位为MPa。
		σxx	表示局部坐标系下x方向应力，单位为MPa。
τxz	表示局部坐标系下剪切应力，单位为MPa。
		σzz	表示局部坐标系下z方向应力，单位为MPa。
εxx	表示局部坐标系下x方向应变。
		εzz	表示局部坐标系下z方向应变。
γxz	表示局部坐标系下剪切应变。
		εv	表示体应变。
Sxx	表示局部坐标系下x方向渗透率，单位为m2。
		Szz	表示局部坐标系下z方向渗透率，单位为m2。
μ	表示树脂粘度，单位为Pa·s。
		Pα	表示外加正外力，单位为MPa。
t	表示模拟时间，单位为s。
		Vf	表示纤维体积分数。
E	表示纤维的弯曲模量，单位为GPa。
		β	表示在热压成型过程中纤维层在有压力条件下的变形能力的特性系数，简称纤维层压缩特性系数。
Va	表示根据纤维六方密实堆积条件下的纤维体积分数，为一常数，简称密实堆积纤维体积分数。
		V0	表示预浸料初始纤维体积分数。
h0	表示层板初始厚度，单位为m。
		h	表示当前时刻制件厚度，简称层板厚度，单位为m。

Claims (5)

1、一种利用计算机模拟树脂基复合材料L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化方法，该模拟方法包括有材料特性数据库单元(3)，其特征在于还包括有制件构形与网格剖分单元(1)、成型工艺参数设置单元(2)、树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)、制件质量预测单元(5)；

所述层板质量预测单元(5)，在已知所述制件构形和初始设置参量F₁的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元(2)中的工艺参量F₂和所述材料特性数据库单元(3)中的材料参量F₃，并将初始设置参量F₁、工艺参量F₂和材料参量F₃在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中处理，获得决定层板质量的参量，并存储在制件质量预测单元(5)中。

2、根据权利要求1所述的L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化模拟方法，其特征在于有如下步骤：

第一步：在所述制件构形与网格剖分单元(1)中提取制件初始设置参量F₁；

第二步：在所述成型工艺参数设置单元(2)中提取工艺参量F₂；

第三步：在所述材料特性数据库单元(3)中提取材料参量F₃；

第四步：在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中获得树脂流动与层板变形关系式W₁；

所述树脂流动与层板变形关系式 $W_1\⇒\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}}{\∂x}+\frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂z}+\frac{\∂P_r}{\∂x}=0\\ \frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}}{\∂x}+\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}}{\∂z}+\frac{\∂P_r}{\∂z}=0\\ \frac{\∂{\mathrm{\ϵ}}_v}{\∂t}+[\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{S_{\mathrm{xx}}}{\mathrm{\μ}}\frac{\∂P_r}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{S_{\mathrm{zz}}}{\mathrm{\μ}}\frac{\∂P_r}{\∂z}\right)]=0\end{array}\right.,$ 式中，x表示在局部坐标系下中沿铺层0°方向，z表示层板内某点在局部坐标系下中垂直厚度方向，σ_xx表示局部坐标系下x方向应力，τ_xz表示局部坐标系下剪切应力，P_r表示树脂承载压力，ε_v表示体应变，S_xx表示局部坐标系下x方向渗透率，S_zz表示局部坐标系下z方向渗透率，μ表示树脂粘度，t表示模拟时间；xz表示建立在构形上的局部坐标系，坐标轴的具体方向随构形变化，在横向等厚层板段与全局坐标系重合，在纵向等厚层板段，局部坐标轴方向与全局坐标系坐标轴顺时针旋转90°方向相同；x轴表示在局部坐标系中沿铺层0°方向，z表示在局部坐标系中垂直层板厚度方向。

3、根据权利要求2所述的L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化模拟方法，其特征在于：第一步中的制件构形初始设置参量F₁中的层板初始厚度 $h_0=\frac{{\mathrm{Na}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_f{V}_0},$ 式中，N表示预浸料铺层层数，a_f表示预浸料纤维面密度，ρ_f表示纤维的体密度，V₀表示预浸料初始纤维体积分数。

4、根据权利要求2所述的L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化模拟方法，其特征在于：第四步中树脂流动与层板变形关系式W₁中应力与应变满足关系式W₂；

所述应力与应变满足关系式 $W_2\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}=V_{f}E{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{3\mathrm{\πE}}{{\mathrm{\β}}^4}\·\frac{\sqrt{1+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}-1}{\sqrt{1+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}{(\sqrt{V_a/V_0({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}+1)}-1)}^4}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}=G_{\mathrm{xz}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xz}}\end{array}\right.,$ 式中，σ_xx表示局部坐标系下x方向应力，τ_xz表示局部坐标系下剪切应力，ε_xx表示局部坐标系下x方向应变，σ_zz表示局部坐标系下z方向应力，ε_zz表示局部坐标系下z方向应变，γ_xz表示局部坐标系下剪切应变，G_xz表示材料剪切模量，E表示纤维的弯曲模量，β表示纤维层压缩特性系数，V₀表示预浸料初始纤维体积分数，V_f表示纤维体积分数，V_a表示密实堆积纤维体积分数。

5、根据权利要求2所述的L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的数字化模拟方法，其特征在于：第四步中树脂流动与层板变形关系式W₁中应变与位移满足关系式W₃；

所述应变与位移满足关系式 $W_3\⇒\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}=\frac{\∂u}{\∂x}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}=\frac{\∂v}{\∂z}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xz}}=\frac{\∂u}{\∂z}+\frac{\∂v}{\∂x}\end{array}\right.,$ 式中，ε_xx表示局部坐标系下x方向应变，ε_zz表示局部坐标系下z方向应变，γ_xz表示局部坐标系下剪切应变，u表示局部坐标系下x方向位移，v表示局部坐标系下z方向位移。

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