纤维缠绕复合材料壳体内固化成型基础研究

纤维缠绕复合材料壳体以其优异的性能在航空、军事和工业等领域得到了广泛应用。目前，制约其应用和发展的主要瓶颈是壳体的成本和性能，而壳体成型工艺直接决定了其最终性能和成本。本项目研究采用蒸汽加热缠绕壳体内部实现其固化成型的新工艺，对材料"内固化"过程中复合材料内部变化规律和蒸汽加热芯模特性进行基础理论研究。具体内容包括：建立纤维缠绕复合材料在内固化过程中树脂流动和材料密实模型，及温度、固化度和应力/应变等多物理场耦合模型；建立随内固化技术出现的"热缠绕"成型过程分析模型；通过数值模拟和试验揭示"内固化"和"热缠绕"过程中复合材料内部多场变化规律；为实现壳体内部按期望温度分布加热，通过数值模拟揭示芯模温度分布与蒸汽和流道结构参数之间的关系，并对芯模加热系统进行优化。该研究为实现纤维缠绕壳体高效、优质且低成本成型提供新思路，为内固化工艺设计、模拟和参数优化提供分析模型和方法。

纤维缠绕复合材料壳体以其比强度高、比刚度大、容易成型和可设计等优点在航空航天、军事、民用工程、能源输送和压力容器等领域获得广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会效益。复合材料壳体是结构性能与工艺过程一体化的材料，其成型工艺过程直接决定了结构的最终性能和成本，当前制约复合材料壳体应用和发展的主要瓶颈是材料性能和生产成本问题。传统的壳体通常采用先缠绕后固化两步成型工艺制造，即将壳体在缠绕机上缠绕成型后运至固化炉（或热压釜）内对其加热至固化成型。本项目基于“从壳体内部加热”的思路采用蒸汽加热芯模实现了复合材料壳体“内固化”新工艺，提高了成型效率和质量。. 为解决采用“内固化”新工艺的缠绕、固化工艺设计和优化、芯模表面温度分布和传热效率等问题，本项目对材料“内固化”过程中复合材料内部变化规律和蒸汽加热芯模特性进行基础理论研究，具体内容如下：建立了“内固化”和“热芯缠绕”工艺过程中的温度、固化度和应力/应变等多物理场耦合模型及成型过程分析模型，通过数值模拟和实验揭示了缠绕和固化工艺过程中材料内部多场变化规律，分析了缠绕速度、升温速率和表面对流换热系数等外部因素对固化过程中复合材料内部温度、固化度等参数的影响；针对厚壁壳体径向温差过大问题，对“内固化”和“热芯缠绕”工艺的加温历程进行了优化，实验验证表明，优化后的加温历程保证了壳体外表面温度始终在工艺要求的范围内；建立了“热芯缠绕”过程中芯模及其内部蒸汽传热模型，采用有限元方法对“热芯缠绕”工艺蒸汽加热芯模过程进行了模拟，通过对比不同芯管直径、不同小孔分布、不同小孔直径的芯模在“热芯缠绕”工艺过程中内部流场、温度场分布情况，揭示了芯模结构与复合材料成型质量的关系；基于数值模拟实验对传统芯模结构加以改进，对芯模长径比、芯管直径与芯模直径之比以及芯管上的小孔分布及孔径等参数进行优化设计，实验证明优化后的芯模有效改善了轴向温度分布不均的问题。本项目的研究为实现纤维缠绕壳体高效、优质且低成本成型提供新思路，为内固化工艺设计、模拟和参数优化提供分析模型和方法。. 本项目在国内外发表学术论文16篇，其中SCI收录4篇，EI收录7篇，在科学出版社出版针对复合材料壳体内固化成型工艺、基础理论和关键技术的专著一部。2011年，采用本项目理论研制的内固化缠绕机及相关技术获得省科技进步二等奖。