多层热塑性二维机织物预浸料热冲压成型仿真与实验研究

High performance thermoplastic woven fabric composite has the advantages of good toughness, short molding cycle, environmental protection, easy storage, recyclable and repairable, and has good integrity and flexible processing characteristics, which is an important future development direction of lightweight materials. The hot-stamping molding process of thermoplastic woven fabric prepregs has outstanding superiorities of batch production and manufacturing. It can develop lightweight excellent performance of bearing structure and effectively reduce the cost. This project will be conducted around the hot-stamping molding process of thermoplastic woven fabric prepregs, material and structure design as well as theoretical analysis of common scientific issues: to research systemically fabric preforming deformation, the mechanism of defects and control methods during the hot-stamping of thermoplastic woven composite bearing structures; to explore the influence law of the molding process parameters on curing deformation and residual stress of the formed structure and to optimize the forming process; to establish the multi-scale parameterized theoretical analysis and finite element model for the prediction of mechanical properties in the molding process by considering the multi-effect coupling of temperature and other factors. Finally, the molding properties of materials and typical parts will be tested and analyzed and compared with the theoretical and computational models for verification. The research results of the project will provide a strong common theoretical basis and technical support for the efficient manufacturing and accelerated application of thermoplastic woven fabric composite bearing parts.

高性能热塑性机织物复合材料具有良好的韧性并且成型周期短、环保易于储存、可回收和可修复等优点，拥有很好的整体性和灵活的加工特性。其热塑性机织物预浸料热冲压成型工艺具有突出的批生产制造优势，可以开发出轻质•性能优越的承载结构件，并有效降低成本，是未来轻量化材料的重要发展方向。本项目围绕热塑性机织物复合材料在热冲压成型工艺、材料•结构设计以及理论分析方面的共性科学问题展开：系统研究热塑性机织物复合材料承载结构件热冲压预成形中纤维织物的变形、缺陷产生机理和控制方法；探究成型工艺参数对结构件残余应力和固化变形的影响规律并优化工艺；考虑温度等多效应耦合建立其成型过程力学性能预测的多尺度参数化理论分析和有限元模型；最后对材料及典型零部件成型性能进行测试分析并与理论•计算模型进行对比验证。项目的研究成果将为热塑性机织物复合材料承载零部件的高效制造与加速应用提供有力的共性理论基础和技术支撑。

机织纤维复合材料是二十一世纪汽车轻量化的发展方向和重要途径之一。热塑性机织物预浸料热冲压成型工艺以其高效率、低成本、易于机械自动化等优势，得到了广泛的关注。可靠的二维机织织物增强复合材料热冲压仿真模型可以有效减少试错开发所带来的时间和工具成本，因此对于成熟制造至关重要。本文介绍了有关机织织物增强复合材料热冲压成型工艺表征和模拟的文献综述。首先，总结了热冲压过程主要变形机制的研究和相应的实验表征方法。然后，我们重点介绍了冲压和冷却步骤仿真模型的开发，以及用于整个成型过程仿真和成型件结构性能预测的连续虚拟工艺链的开发进展。随着冲压工艺研究的成熟，机织织物增强复合材料热冲压工艺的封闭仿真优化链逐渐被开发出来，以降低高性能机织织物增强复合材料的整体开发成本。.二维机织复合材料的成型过程对其成型精度和构件性能有重要影响。尤其是在二维机织复合材料预成型过程中，虽然在实验中观察到大变形机织织物的拉剪耦合，但为简单起见，大多数机织织物的本构模型往往忽略这种耦合效应。在本文中，提出了一种非线性各向异性超弹性本构模型来考虑这种拉剪耦合效应。进行了平纹织物在四面体模具上的悬垂实验以验证所提出的耦合本构模型。随后，研究了拉剪耦合对悬垂过程的影响。 数值模拟结果表明，在悬垂过程中，拉剪耦合效应显着改变了纤维的重新取向，使剪切变形趋于均匀，降低了局部剪切变形集中，在具有显着双曲率的机织物冲压成型过程中不容忽视。.在成型和脱模后，二维复合材料和结构的力学性能对其应用至关重要。因此，本文基于二维三轴编织复合材料（2DTBC）的细观结构提出了一个理解二维三轴编织复合管宏观耐撞性的框架，由此解决了耐撞性和轻量化两个典型问题。该框架使用三个主要设计变量进行研究，包括总纤维体积分数、碳纤维在总纤维体积分数中的相对体积分数和编织角。采用基于同心圆柱模型（CCM）的力学性能预测模型和分析层压模型来获得2DTBC所需的力学性能。建立并验证克里金代理模型以研究设计变量与宏观耐撞能力之间的关系。这两个优化问题是通过多目标进化求解器使用帕累托最优解解决的。结果表明，在一定程度上，降低总纤维体积分数和增加2DTBC中玻璃纤维丝束的比例是鲁棒优化的主要因素。.以上研究将有助于碳纤维复合材料的热冲压成型工艺的优化与应用，同时本研究将会对碳纤维复合材料构件的设计提供理论依据和指导。