李贺
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江 哈尔滨 150066
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，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，可以有效掌握热压成形工艺数值模拟方法和工艺原理，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
1引言
复合材料热压成型工艺模拟软件平台是在多个国家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，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。
2 实验方案
在树脂基体工艺特性分析基础上，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。
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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。
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，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。
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。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
实验提升行业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。这种新的实验模式，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
[1]王翔，王钧，杨小利.复合材料与工程专业综合性实验的设计与探讨[J].科教文汇，2012年9月（下旬刊）：54-55.
[2]王一文，张兴祥，赵义平.复合材料与工程专业实验改革探讨[J].教育教学论坛，2013（9）：57-59.
[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.
论文作者:李贺
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/29
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