复合材料热压罐成形工艺模拟特色实验

摘 要：先进树脂基复合材料热压罐成形工艺模拟特色实验，以自主开发的热压罐工艺成形工艺数值模拟平台为基础，基于计算机模拟的热压罐工艺理论分析，引导学生掌握复合材料热压工艺过程复杂的物理化学变化及其对复合材料成形质量的影响，提升学生的实验设计及分析能力，深入理解热压罐成形原理和工艺控制理论。结果表明，通过实验的自主设计，学生可以有效掌握热压成形工艺数值模拟方法和工艺原理，开拓学习方法，为材料科学以及与试验相关的其它学科的研究提供一种研究思路和研究途径。

关键词：树脂基复合材料 热压罐工艺 实验

中图分类号：TB332；G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0059-04

先进树脂基复合材料具有比强度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好、便于大面积整体成形以及电磁性能可调等特点，是航空航天装备的关键材料之一。成本过高是制约先进复合材料大量应用的一个非常突出的问题，其中制造成本是其最高单项，约占复合材料总成本的70%～85%，制造成本过高的主要原因如下：（1）“炒菜式”研发模式，制造方法的选择和工艺参数的优化均须要凭经验和实验，从试样到缩比件多次试验，造成工艺研究费用高，科学性差；（2）制造规范不通用，从大量试验摸索形成的较合理的制造工艺规范，只适用特定构件形式，当制件的结构形式改变，又需要新做大量试验，耗资耗时；（3）复合材料制造质量的可控性差，造成复合材料性能分散，材料许用值低，制件合格率低。基于数值模拟方法，开展先进复合材料的制造过程机理分析是解决先进复合材料制造成本和制造质量控制问题的重要途径。

武汉理工大学材料学院和天津工业大学、洛阳理工学院材料系针对复合材料本科专业开设综合性实验，强调实验教学，不仅有利于学生对科学知识的学习，同时对提高学习兴趣、培养实验能力、增强探究意识和促进创新能力具有重要作用[1-3]。《复合材料热压成型工艺模拟特色实验》是北京航空航天大学材料科学与工程学院在大专业培养模式基础上[4-6]，为高分子及复合材料专业本科生开设的专业特色选课，它是基于数值模拟手段的专业实验课程。热压罐成形工艺是航空航天领域制备先进复合材料的主要成形方法之一，复合材料热压成型过程包括温度作用下树脂体系化学交联反应、树脂交联结构变化，压力作用下树脂流动/纤维密实等物理化学作用，涉及到高分子物理、高分子化学、渗流力学、材料力学等多学科知识。工艺模拟特色实验不是简单的数值模拟软件操作学习，而是通过工艺数值模拟实验，引导学生应用复合材料理论知识，掌握复合材料热压罐成形工艺的原理。复合材料热压成型工艺模拟软件平台是在多个部级重点基础项目支撑下，基于实验和数值理论方法，建立的复合材料热压成型过程数字化模拟与工艺评价平台，对于缩短复合材料研制周期、提高制件质量可靠性、改变传统的复合材料研制模式（试错法和经验法），具有重要的意义[7-8]。基于软件平台，学生自主设计改变材料、工艺、结构因素，分析制件内温度、固化度、树脂压力、纤维体积分数等分布及变化规律，对于深入理解热压罐成形原理和工艺控制理论，提升学生的实验设计及分析能力具有重要意义，同时为材料科学以及与试验相关的其它学科的研究提供一种研究思路和研究途径，开拓学习方法。

1 实验设计

实验方案及技术路线如图1所示。

2 实验方案

在树脂基体工艺特性分析基础上，学生自主设计三组工艺参数（T-t，P-t），基于复合材料热压成型过程数值模拟平台，针对等厚层板计算不同工艺条件下层板内纤维体积分数及其分布，根据制备层板的纤维体积分数判定工艺参数的合理性，理解工艺参数对于成型过程的重要性；工艺参数不变，改变铺层方式，考察层板内纤维体积分数及其分布，了解铺层方式对成型过程的影响；改变材料体系，了解不同材料体系工艺特性的区别。

3 实验案例

3.1 复合材料热压罐成形热传导/树脂固化反应过程数值模拟

（1）实验问题的详细描述。

以30层玻纤布/环氧层板为对象，层板尺寸为100×100 mm，初始厚度为3.86 mm，初始纤维体积分数59%，平面尺寸远大于厚度尺寸，仅考虑层板厚度方向温差。

温度制度：从室温以2 ℃/min上升到 130 ℃并保温60 min，然后再以2 ℃/min从130 ℃升到180 ℃并保温30 min，然后自然冷却。

（2）分析问题，确定材料参数[7]等。

（3）建立研究问题的几何模型。

平面尺寸远大于厚度尺寸，仅考虑层板厚度方向温差，且上下面板对称加热。因此，取层板厚度的一半建模，平面尺寸可以为厚度的数倍。长度单位：mm。

（4）建立边界条件。

初始条件：预浸料叠层初始温度设置298K，固化度为非零极小数，如0.000001。

上边界（AB）：设定工艺温度，即为随时间变化的温度曲线。

左右边（AC和BD）：对称边界，温度T的法向梯度为零。

底边界（CD）：层板中心面为对称边界，温度T的法向梯度为零。

（5）网格剖分，建立有限元网格模型。

分析区域为规则四边形，采用四节点四边形结构化（structure）单元进行网格划分，X，Y方向分别划分20个单元。

（6）退出前处理软件Gid，运行exe文件，开始计算求解。

（7）计算结果处理分析。

3.2 复合材料热压罐成形树脂流动/纤维密实过程数值模拟

（1）实验问题的详细描述。

以30层玻纤/环氧层板为对象，预浸料上下表面对称吸胶，且吸胶材料铺放量足够多，树脂凝胶之前吸胶材料未达到饱和状态，层板四周有挡条约束，使其不发生平面内的树脂流动，且平面尺寸远大于厚度尺寸，仅考虑层板厚度方向流动。

材料体系：玻纤/环氧；层板尺寸：100×100 mm；初始厚度为3.86 mm；初始纤维体积分数59%；

工艺制度：从室温以2 ℃/min上升到130 ℃并保温60 min，然后再以2 ℃/min从130 ℃升到180 ℃并保温30 min，然后自然冷却；在130 ℃保温30 min时刻施加0.4 MPa压力。

（2）分析问题，确定材料参数[7]，边界条件等。

（3）建立研究问题的几何模型。

平面尺寸远大于厚度尺寸，仅考虑层板厚度方向流动，且层板为对称吸胶。因此，取层板厚度的一半建模，平面尺寸可以为厚度的数倍。长度单位：mm。

（4）建立边界条件。

上边界（AB）：施加外加压力F=Pa为均布力，同时上边界为吸胶边界，液体出口压力为P=0（相对大气压），在压力作用下，预浸料叠层发生变形，UV无约束。

左右边（AC和BD）：对称边界，垂直边界的法向压力梯度为零，平面位移为零。

底边界（CD）：层板中心面为对称边界，垂直边界的法向压力梯度为零，同时约束层板在x，y方向的位移即底边固定。

（5）网格剖分、计算结果处理，同热传导问题。

3.3 实验结果及分析

（1）热传导/固化反应过程数值模拟结果。

典型算例的结果如图7～8所示，可以计算得到层板内任意位置温度和固化度随时间的变化规律，以及任意时刻层板内温度和固化度分布规律，并由此可以分析层板内温度和固化度不均匀性。改变工艺制度（升温速率、平台温度、恒温时间等）、层板厚度会对层板内温度和固化度分布规律产生影响，学生自主设计工艺条件可以综合分析计算所得数据，研究复合材料热压罐成形过程热传导/树脂固化反应规律。

（2）树脂流动/纤维密实过程数值模拟结果。

典型算例的结果图9所示，可以计算得到层板内任意位置树脂压力和纤维体积分数随时间的变化规律，任意时刻层板内树脂压力和纤维体积分数分布规律，可以分析层板内纤维密实程度不均以及树脂压力，并可以得到预浸料叠层厚度随密实时间的变化规律。改变工艺制度（压力、加压时机等）对层板内树脂压力和纤维体积分数分布规律产生影响，进而影响密实质量。学生自主设计工艺条件可以综合分析计算所得数据，研究复合材料热压罐成形树脂流动和纤维体积分数的变化，进而分析孔隙、富树脂等工艺缺陷。

4 结语

实验教学作为提升学生实践能力和创新精神的必须途径，将自主开发的复合材料热压工艺模拟平台用于实验课程，充分体现了科研成果与实验教学的有机结合。先进树脂基复合材料热压罐工艺仿真特色实验具有节约时间、实验成本低等特点，模拟仿真可以虚拟呈现复合材料在成形过程物理化学变化规律，对于学生深入理解课堂理论知识具有重要意义。这种新的实验教学模式，促使学生了解数值模拟方法在材料科学中的应用，为培养适应当今科技和经济高速发展需求的高层次综合型高素质的创新人才奠定了基础。

参考文献

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[3] 刘少兵，付新建，周思凯，等.复合材料试验技术课程实验教学研究[J].广州化工，2011，39（17）：130-131.

[4] 杨光，付春娟，李松梅，等.高分子材料合成技术综合实验教学改革[J].实验技术与管理，2011，28（6）：242-245.

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[7] 李艳霞.先进复合材料热压流动/压缩行为数值模拟与工艺质量分析[D].北京：北京航空航天大学，2008.

[8] 顾轶卓.先进复合材料热压工艺流动/密实表征分析与理论预测[D].北京：北京航空航天大学，2007.