CN114801243A - 主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法 - Google Patents

主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，将复杂型面结构的复合材料构件划分为多个滑移速率接近的区域，实时监测每个区域叠层的滑移速率，分多个时刻依次对构件从小到大施加压力或者对构件从低到高升高温度，每个时刻有一个或两个区域的叠层在缓慢的速率下滑移，将复合材料构件中复杂无序的叠层滑移转变为时间维度上各区域间的有序滑移。该方法在复合材料复杂构件成型过程中避免严重的叠层滑移缺陷。

Description

主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，具体涉及一种主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料轻质、高强，已成为大飞机、第五代战斗机、高推重比航空发动机、重型运载火箭等航空航天高端装备减重增效、提升性能的优选材料，其在高端装备应用中逐渐从薄壁、小曲率的次承力构件向大厚度、复杂型面的主承力构件发展。
复合材料构件成型中，为保证构件各位置均能被压实，在固化前预设温度和压力工艺曲线，固化过程中直接以大压力压实构件各个位置。过大的压力引起各位置叠层以较快的速率滑移，部分位置叠层因滑移受阻易在面外方向失稳形成褶皱缺陷，由于增强纤维连续，进一步多个位置产生“雪崩式”褶皱缺陷以及架空缺陷。在复杂型面、厚壁复合材料构件中尤为普遍。产生褶皱和架空缺陷的根本原因是复合材料构件成型中无法控制复杂的叠层滑移过程。
发明人经过悉心实验和理论研究，发现在缓慢的升压过程中构件不同位置叠层开始滑动时的压力具有明显差异，且在一定的时间间隔内滑移位置呈现聚集性。同理，对于温度也具有相似的现象。进而提出将复杂型面结构的复合材料构件划分为多个滑移速率接近的区域，分多个时刻依次对构件从小到大施加压力或者对构件从低到高升高温度，将复杂无序的叠层滑移转变为时间维度上各区域间的有序滑移，主动控制构件中叠层的滑移过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，该方法在复合材料复杂构件成型过程中避免严重的叠层滑移缺陷。
本发明所采用的技术方案是，主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，将复杂型面结构的复合材料构件划分为多个滑移速率接近的区域，实时监测每个区域叠层的滑移速率，分多个时刻依次对构件从小到大施加压力或者对构件从低到高升高温度，每个时刻有一个或两个区域的叠层在缓慢的速率下滑移，将复合材料构件中复杂无序的叠层滑移转变为时间维度上各区域间的有序滑移。
本发明的特征还在于，
将复杂型面结构的复合材料构件划分为多个滑移速率接近的区域的准则为：以滑移速率对型面曲率的敏感度作为第一区域划分准则，按相等的敏感度容差初步确定区域边界；然后，以叠层可滑移的最大面积作为第二区域划分准则，进一步对区域再划分。
不同时刻压力施加的准则为：以滑移速率阈值作为叠层滑移控制的判断条件，当任意一个或两个区域监测到叠层滑移速率大于或等于阈值，压力在当前压力值±8％范围内波动或者保持，该位置的叠层以缓慢的滑移速率滑移而释放层间应力；待滑移速率降低趋近于0时，继续升高压力，迭代上述过程，直至所有区域的叠层均已在缓慢的滑移速率下滑移结束。
不同时刻温度施加的准则为：以滑移速率阈值作为叠层滑移控制的判断条件，当任意一个或者两个区域监测到叠层滑移速率大于或等于阈值，温度在当前温度值附近±5％范围内波动或者保持，使叠层缓慢滑移；待滑移速率降低趋近于0时，继续升高温度，迭代以上过程，直至所有区域的叠层均已在缓慢的滑移速率下滑移结束。
分多个时刻依次对构件从小到大施加压力时的加压速率为1～50KPa/min。
分多个时刻依次对构件从低到高升高温度时的升温速率为0.1～5℃/min。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，在复合材料复杂、大厚度构件成型过程中避免叠层褶皱和架空缺陷，有望显著提升复合材料构件的设计和制造极限。
(2)本发明提出了一种将复杂无序滑移转变为有序滑移的方法，为复杂型面复合材料构件制造提供了新思路，在复合材料复杂构件成型过程中避免严重的叠层滑移缺陷。
(3)本发明提出了一种均匀压力/温度环境中各区域在不等压力/温度下滑移的方法，突破现有成型中以大压力压实构件的思维局限。
(4)本发明提出了两个型面区域划分的准则，将复杂型面结构的复合材料构件划分为多个滑移速率接近的区域，实现滑移过程的有限可控。
(5)本发明操作简便，无需预设工艺曲线，不仅适用于热固性复合材料，而且适用于热塑性复合材料。
附图说明
图1本发明实例一中复合材料构件型面区域划分一种角度的示意图；
图2本发明实例一中复合材料构件型面区域划分另一种角度的示意图；
图3本发明实例一中调控压力主动控制复合材料构件中叠层滑移时压力与时间的关系示意图；
图4为本发明实例一使用的复合材料构件在现有方法下成型后的质量示意图；
图5为复合材料构件在本发明方法下成型后的质量示意图；
图6为在现有方法下构件圆弧区域的形貌；
图7为在本发明方法下构件圆弧区域的形貌；
图8本发明实例一中调控温度主动控制复合材料构件中叠层滑移温度与时间的关系示意图；
图9本发明实例三中复杂型面结构复合材料构件区域划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，将复杂型面结构的复合材料构件划分为多个滑移速率接近的区域，实时监测每个区域叠层的滑移速率，分多个时刻依次对构件从小到大施加压力或者对构件从低到高升高温度，每个时刻有一个或两个区域的叠层在缓慢的速率下滑移，将复合材料构件中复杂无序的叠层滑移转变为时间维度上各区域间的有序滑移；
在复杂型面结构的复合材料构件中，触发不同位置叠层开始滑移的压力大小不等，而构件型面是产生叠层滑移速率差异的根源。为实现叠层滑移可控，本发明中区域内的叠层在相等的压力下滑移，各区域的叠层分别在不等的压力下有序滑移。滑移速率u与曲率k之间的关系定义为u＝f(k)，以滑移速率对型面曲率的敏感度du/dk作为第一分区准则，将相等的敏感度容差作为划分为同一区域的标准，依次确定区域边界，将构件型面初步划分为多个滑移速率接近的区域，其中敏感度定义为滑移速率对曲率的一阶导数；以叠层可滑移的最大面积作为第二区域划分准则，进一步对区域再划分，保证区域内的叠层在相等压力下均可滑动。
固化前，在复合材料各区域中布置一个或多个传感器测量不同位置的叠层滑移速率。复合材料固化过程中，在层间树脂可流动的温度下(低于最低树脂反应温度)，按1～50KPa/min的加压速率从低到高逐渐升高压力，以滑移速率阈值作为叠层滑移控制的判断条件，当一个或者两个区域监测到叠层滑移速率大于或等于阈值，停止升压，压力在当前压力值附近±8％范围内波动或者保持，使该位置的叠层以缓慢的滑移速率稳定滑移而释放层间应力，避免叠层因滑移受阻形成褶皱缺陷；待滑移速率降低趋近于0时，继续升高压力，迭代以上过程，直至所有区域的叠层均已在缓慢的滑移速率下滑移结束；然后，保持最后一个滑移位置对应的压力，待固化完成后降低压力至0。
同理，可对温度进行调控，在复合材料中树脂不具有流动性时，对构件施加恒定的材料厂商推荐的压实压力；然后按照0.1～5℃/min升温速率升高温度降低叠层间的摩擦系数，以滑移速率阈值作为叠层滑移控制的判断条件，当任意一个或者两个区域监测到叠层滑移速率大于或等于阈值，温度在当前温度值附近±5％范围内波动或者保持，使叠层缓慢滑移；待滑移速率降低趋近于0时，继续升高温度，迭代以上过程，直至所有区域的叠层均已在缓慢的滑移速率下滑移结束；然后，温度升高至复合材料的固化平台温度并保温，保温时间与材料厂商推荐的固化平台时间相同，固化完成后自然降温至室温。
本发明分多个时刻施加不等的压力或者温度，使复杂型面结构的复合材料构件各个区域滑移开始的时间产生差异，进而叠层依次有序滑移，克服现有成型中构件不同位置叠层滑移相互影响带来的挑战。
如图1-9所示。
实例一：本实例选取一个大厚度的复合材料构件，来说明在成型过程中主动控制叠层滑移的方法，不限于本实例。
利用有限元对复合材料构件施加600KPa恒定的压力场，根据滑移速率分布和型面曲率分布，提取多个离散点，通过数值拟合建立型面曲率到滑移速率之间的映射关系，进一步对曲线求一阶导数得到滑移速率对型面曲率的敏感度。以滑移速率对型面曲率的敏感度作为第一分区准则，按照相等的敏感度容差初步划分区域，依次确定区域边界，该U型复合材料构件初步划分为①、②、⑤、⑥、③+④五个区域(如图1-2所示)，在较大的压力下这五个区域滑移速率接近。换言之，每个区域内的复合材料触发滑移的压力接近。为保证区域内的叠层在相等压力下均可滑动，以叠层可滑移的最大面积作为第二区域划分准则，进一步对面积较大的区域再次划分，该构件最后划分为①、②、③、④、⑤、⑥六个区域。
复合材料构件原材料为碳纤维/环氧复合材料T800/YPH-26预浸料，设计厚度为6mm、铺层方向[0，45，90，-45]8s，将准备好的64层预浸料逐层铺放在模具表面。复合材料构件厚度较大，多层之间滑动的性能存在差异，在圆弧区域②、⑤的第20层和45层分别放置光纤传感器监测叠层滑移速率，在平坦区域①、③、④、⑥的第32层分别放置光纤传感器监测叠层滑移速率。真空辅助材料依次放置于复合材料构件表面，构件边缘放置挡胶条，封装真空袋，预抽真空30min后，在热压罐中固化。
温度工艺为：从室温以2℃/min升温至110℃，保温120min，然后自然降温。本实例的压力工艺根据构件中8个传感器监测到的叠层滑移速率实时确定，如图3所示，具体步骤如下：在层间树脂可流动的温度60℃(t1时刻)，按10KPa/min的升压速率升高气体压力，以滑移速率阈值2mm/s作为叠层滑移控制的判断条件，当任意一个传感器监测到叠层滑移速率大于阈值(t2)，停止升压，压力在当前压力值附近波动或者保持，使该位置的叠层以缓慢的滑移速率稳定滑移释放层间应力，避免叠层在较快的滑移速率下因滑移受阻而形成褶皱缺陷；待滑移速率降低趋近于0时(t3)，继续升高压力，当传感器监测到有滑移速率大于阈值(t4)，压力在当前压力值附近波动或者保持；迭代以上过程，直至所有传感器位置处的叠层均已在缓慢的滑移速率下滑移结束；然后，保持最后一个滑移位置对应的压力，待固化完成后降低压力至0。
上述过程分多个时刻依次施加压力，将复合材料构件中复杂无序的叠层滑移转变为时间维度上各区域间的有序滑移，同时保证整个构件压实过程中各个位置叠层在缓慢的滑移速率下滑移，主动控制了叠层滑移过程。为对比构件压实质量，将该构件采用常规的热压罐工艺固化，固化前预设的压力工艺为厂商推荐的压力工艺：在70℃时加压至600KPa，保持该压力直至固化完成降温到50℃下泄压。复合材料构件在现有方法下成型后如图4所示，在圆弧区域出现了严重的褶皱缺陷。复合材料构件在本发明方法下成型后如图5所示，圆弧区域表面平坦，无褶皱缺陷。
固化后的构件沿长度方向中心位置处的横截面如图6-7所示。在现有方法下，如图6所示，圆弧位置处叠层纤维方向出现较大偏差，叠层间存在架空缺陷，且构件表面不平整，与平坦区域厚度差异较大。在本发明方法下，如图7所示，叠层压实状态良好，构件表面平整，圆弧位置与平坦区域厚度一致，通过主动控制构件中叠层滑移过程，有效避免了严重的褶皱和架空缺陷。
实例二。
本实例与实例一的区别是通过调控温度主动控制叠层滑移过程。如图8所示，在35℃复合材料中树脂不具有流动性时，对构件施加恒定的材料厂商推荐的压实压力600KPa，然后开始分多个时刻依次施加温度，根据实时监测到的滑移速率，调控温度主动控制叠层滑移，其余与上述实例一相同。
实例三。
本实例与实例一的区别是复合材料构件形状为双曲面(如图9所示)，厚度2mm，在每个区域中心位置放置光纤传感器监测叠层滑移速率。
实例四。
本实例与实例一的区别是采用介电速度传感器监测叠层滑移速率。
实例五。
本实例与实例一的区别是材料为T800/PEEK碳纤维增强热塑性复合材料。
实例六。
本实例与实例一的区别是压力为液体压力。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，其特征在于，将复杂型面结构的复合材料构件划分为多个滑移速率接近的区域，实时监测每个区域叠层的滑移速率，分多个时刻依次对构件从小到大施加压力或者对构件从低到高升高温度，每个时刻有一个或两个区域的叠层在缓慢的速率下滑移，将复合材料构件中复杂无序的叠层滑移转变为时间维度上各区域间的有序滑移。
2.根据权利要求1所述的主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，其特征在于，将复杂型面结构的复合材料构件划分为多个滑移速率接近的区域的准则为：以滑移速率对型面曲率的敏感度作为第一区域划分准则，按相等的敏感度容差初步确定区域边界；然后，以叠层可滑移的最大面积作为第二区域划分准则，进一步对区域再划分。
3.根据权利要求1所述的主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，其特征在于，不同时刻压力施加的准则为：以滑移速率阈值作为叠层滑移控制的判断条件，当任意一个或两个区域监测到叠层滑移速率大于或等于阈值，压力在当前压力值±8％范围内波动或者保持，该位置的叠层以缓慢的滑移速率滑移而释放层间应力；待滑移速率降低趋近于0时，继续升高压力，迭代上述过程，直至所有区域的叠层均已在缓慢的滑移速率下滑移结束。
4.根据权利要求1所述的主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，其特征在于，不同时刻温度施加的准则为：以滑移速率阈值作为叠层滑移控制的判断条件，当任意一个或者两个区域监测到叠层滑移速率大于或等于阈值，温度在当前温度值附近±5％范围内波动或者保持，使叠层缓慢滑移；待滑移速率降低趋近于0时，继续升高温度，迭代以上过程，直至所有区域的叠层均已在缓慢的滑移速率下滑移结束。
5.根据权利要求1所述的主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，其特征在于，分多个时刻依次对构件从小到大施加压力时的加压速率为1～50KPa/min。
6.根据权利要求1所述的主动控制复合材料构件中叠层滑移的方法，其特征在于，分多个时刻依次对构件从低到高升高温度时的升温速率为0.1～5℃/min。
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