厚截面复合材料层合板固化残余应力预测与控制

复合材料在厚度方向热传导率和渗透率低，导致厚截面复合材料结构固化过程中产生温度过热、固化压实不均匀、残余应力大、制造时间长等诸多问题。本项目在分析厚截面复合材料残余应力形成机制的基础上，将固化过程分为热-化学、流动-压实以及残余应力-变形3个子模块，分别研究热传导和固化动力学、树脂在罐压下的流动和分布以及结构残余应力和固化变形。模型考虑了各种物理化学现象之间的耦合关系，可直接应用于大型、复杂厚截面结构的固化变形和残余应力预测。进而从工艺、结构设计以及模具三个方面对残余应力的影响因素进行分析，形成厚截面复合材料结构的残余应力控制方法。最后，在残余应力预测程序基础上加入复合材料三维失效判据和材料退化模型，形成考虑残余应力条件下厚截面复合材料结构强度的预测方法。本项目为厚截面复合材料设计和优化固化工艺提供依据，对提高我国大飞机复合材料设计制造水平有重要意义，具有重要的科学意义和工程应用价值。

采用整体-子模块方法将固化过程分为热-化学、流动-压实和应力-变形三个相对独立的子模块。热-化学模块的控制方程基于Fourier热传导方程和树脂固化动力学方程建立，解决了温度和固化度之间的强耦合问题。流动-压实模块的控制方程基于Darcy定律和有效应力原理建立，反映了树脂流动和纤维网络紧密压实之间的流固耦合关系。应力-变形模块建立了考虑热载荷和固化收缩载荷时复合材料层合板的有限元方程。各模块之间的相互作用通过它们之间的数据交换来实现。典型结构的计算结果与实验对比验证了本文三维有限元模型的有效性。.完成了国产CCF300/5228A热力学特性和数值流动特性测试，进行了48层和192层层合板的固化成型过程对比试验，结果表明，层合板的厚度压缩率随层板厚度的增加而减小，C扫描结果显示厚截面复合材料层合板内部的初始缺陷较薄板更为明显，降低厚截面复合材料层合板的承载能力。.采用数值模拟方法研究带防热层缠绕成型复合材料锥壳热固化变形的形成机理和影响因素。建立了带防热层复合材料锥壳热固化变形预测的三维有限元程序。计算结果表明：外层防热材料和内层结构材料热膨胀系数不匹配是引起壳体固化变形的主要原因。提出在内层和外层之间增加中间过渡层的方法控制壳体的固化变形，中间层材料为丁腈橡胶片时可使固化变形减小20%。采用数值模拟方法讨论了中间层模量、厚度以及缠绕张力对壳体固化变形的影响，分析结果表明：固化变形随中间层模量的增加而增加，随中间层厚度的增加略有减小；缠绕张力释放增加壳体的固化变形，缠绕张力越大引起的固化变形越大。