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课题二 复合材料制件热压固化中的应力演变规律与形性协同控制
2016-01-06 21:19  

 

课题主要进展

Ø  多场耦合有限元建模与仿真:基于无因次分析的固化均匀性研究,定量分析了固化工艺温度、对流换热系数和结构件厚度对固化均匀性的影响,建立了固化温度、制件厚度与固化差值间的函数关系

Ø  固化压力对成型质量的影响:以平板件与L型构件为结合对象,系统研究了不同压力条件下,制件不同铺层方向树脂流动行为差异导致的层间厚度偏差及其与成型缺陷间的关联规律,为合理的铺层设计及固化工艺制定提供了理论支撑。发现压力对不同铺层方向树脂流动行为具有显著影响,90°铺层方向树脂流动对压力的敏感性最大;随着成型压力的增加,制件厚度及尺寸偏差减小;成型压力在0.4MPa以上可显著改善不同铺层方向树脂流动均匀性,提高制件成型精度。查明了孔隙率与固化压力及性能的关联规律,获得了实现低孔隙率制造所需的固化压力阀值,即压力≥0.4MPa时可获得较好的固化质量。研究了压力对预浸料铺放缺陷在固化过程中的演变及对制件性能的影响,查明了固化压力、皱曲度及缺陷区域相对位置与制件性能的关联规律,为建立固化工艺可容忍的铺放缺陷判据提供支撑。

Ø  固化压力均匀性调控新方法:针对蒙皮长桁共固化封闭空间传压结构设计不合理,与制件固化过程变形不匹配导致的压力不均匀传递难题,系统研究了不同芯模结构与填充体积对制件压力分布、纤维皱曲等缺陷的影响,查明了实现封闭空间缺陷可控制造的工艺窗口。研究建立了引入缺陷可控工艺窗口修正系数的膨胀加压预制调型孔及三角区填充体积理论计算模型,实现了固化过程制件压力的均匀性调控。

Ø  预成型+共固化成型新工艺:蒙皮长桁结构铺放缺陷控制难,共固化压力不均难以消除甚至诱导新的缺陷,对压力均匀性与铺放缺陷的控制要求极高。创新工艺路线,预期实现缺陷控制转移,铺放层合板能减小铺放难度,提高效率;纤维在预成型均匀热力作用下顺应性滑移,避免了铺放结构引入缺陷的可能,有望降低对共固化压力均匀性的要求。开展了有无预成型制件的成型精度分析,发现相比于无预成型制件:预成型制件的尺寸一致性较好;尺寸精度对三角区填充体积的敏感性减弱,间接证明预成型对压力均匀性要求降低。开展了制件力学性能对比分析,发现:预成型制件的界面拉脱性能提高了11%;界面剪切性能提升4%;弯曲强度提高了6%。有望成为大型复材承力构件,尤其是更为复杂的纵横加筋结构高性能精确成型的一次技术革新!

Ø  微波辅助制件固化温度均匀性调控:针对大型构件热压固化成型温度场的不均匀性问题,在系统分析了多种加热模式传热机理的基础上,提出引入可控微波局部辅助加热,调控制件固化过程温度均匀性的新方法。通过改造微波多功能高温实验炉,搭建微波固化实验平台。对比分析了微波和热压罐加热对制件固化度的影响,发现微波固化制件的固化度较高,证明微波能透过多向铺层预浸料。研究T型件在金属局部屏蔽条件下,微波对其变厚度三角区定向加热效果,初步验证微波辅助加热调控构件温度分布可行性。针对常规微波发生器不能承受高压,难以馈入热压罐的难题,提出采用裂缝天线+压力隔断+阻抗匹配相结合的方法,初步实验证明该方法可实现高压下的微波馈入。针对微波极易沿着金属导线传播而泄露,导致微波场不均匀且易干扰热压罐的温度与压力控制信号的难题,提出采用独立的带微波隔断装置的封闭空间设计及金属屏蔽网套相结合的方法。

Ø  制件固化过程参数的在线监测:构建了复材制件热压固化在线监测系统。提出“热电偶+光纤光栅”的传感器组合测试方法,实现复合材料在成型过程固化温度、应变演变规律的在线监测;采用“微型探针+光纤微弯”组合的压力测量模式,初步实现压力变化的在线监测。研究了不同模具材料、固化压力对预浸料固化过程界面应变的影响,发现加热固化阶段的界面拉应变取决于树脂受热膨胀;降温阶段的压应变由树脂和模具收缩共同作用的结果。

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