纤维缠绕复合材料固化工艺过程数值研究

JournalofMechanicalStrength2008,30(2):250～254

纤维缠绕复合材料固化工艺过程数值研究

Ξ

NUMERICALSIMULATIONOFTHECUREPROCESSOFTHEFILAMENT2

WOUNDCOMPOSITES

杨　慧ΞΞ

(南京航空航天大学金城学院,南京210016)

YANGHui

(InstituteofJincheng,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

摘要　基于Springer热化学模型,提出一种用于研究纤维缠绕复合材料圆筒结构固化工艺过程的数值方法。通过用户子程序HETVAL把Springer热化学模型嵌入到ABAQUS有限元中,采用接触模型和变约束方法处理缠绕固化过程中的动态约束问题。利用该数值计算方法研究缠绕速率对固化反应中温度场和固化度分布的影响,结果发现缠绕速度对温度场和固化反应都会产生很大影响。速度快时缠绕结构内部温度场较缠绕速度慢时要低,从而导致缠绕速度快时的固化反应不充分。

关键词　缠绕复合材料　固化度　Springer热化学模型　有限元方法中图分类号　TB332　TB115

Abstract　BasedonthethermalchemicalmodelofSpringer,anewnumericalmethodisthethermalcurepro2cessoffilament2windingcompositecylinder.TheusersubroutineHETVAsimulatetheSpringermodel,andthecontactmodelsandvariedboundaryconditionsdependedtodealwiththedynamiccondi2tionsinthefilamentwindingprocess.Finally,theeffectofonfieldandthecuredegreedistribu2tionhasbeenstudied.Theconclusionscanthataffectsthecureprocesstoagreatextent.Thetem2peratureunderlowerwindingthathighwindingspeed,andthedegreeofcurereactionunderlowerwindingspeedcanbemhighspeed.

Keywordscomposite;Curedegree;Springerchemicalmodel;FiniteelementmethodCorrespondingauthor:YANGHui,E2mail:yangh-ll@http://doc.guandang.net,Tel:+86225281719175,Fax:+86225284895187

Manuscriptreceived20060622,inrevisedform20061016.

1　引言

由于纤维缠绕复合材料结构具有比强度大、比刚

度高、容易成型等诸多优点,在火箭发动机壳体、鱼雷发射管、压力容器、玻璃钢管等结构中得到日益广泛的应用。随着缠绕技术的不断提高,缠绕结构已不再局限于以往的圆筒型或回转体型结构,因而其应用范围又得到了进一步的拓宽,例如,飞机机身(全复合材料小型飞机)、直升机旋翼、机头雷达罩、轻型飞机的座舱框架和高性能战斗机的S形进气道等复杂形体也已经开始应用缠绕复合材料。另外由于缠绕复合材料与金属材料的损伤与破坏机理不同,纤维增强复合材料圆柱壳具有稳定的渐进破坏模式,损伤是逐步累积过程,因此可以把纤维缠绕复合材料作为缓冲结构,所以纤维增强复合材料作为缓冲吸能材料是近年来发展起来的另一个应用方向。在纤维缠绕过程中,固化制度直

接影响树脂基体的固化程度和缠绕复合材料结构的强[123][4]130521307[5][6]度。Calius、Dusi、Teplinsky、Schle2

[7]

diewski等对热塑性复合材料缠绕结构的工艺过程进行数值模拟,分别建立相应的热化学模型和材料模型,讨论了缠绕复合材料固化过程中物理、化学现象及其力学响应,研究在非稳定温度场工况下温度控制以及

[8]

不同的固化方法对缠绕结构性能的影响。Springer提出一种热化学模型用于描述缠绕圆筒结构的固化反应过程,该模型将缠绕工艺过程中的诸多变量如缠绕速率、纤维张力、操作温度与复合材料筒体和芯轴的热化学和力学行为关联起来。李辰砂等对该Springer热化学模型进行了详细介绍,该热化学模型是针对缠绕复合材料结构固化工艺中而提出的用于处理温度、黏度和固化反应速率三者之间关系的理论模型。虽然上述研究取得了很多有工程意义的成果,但是对于缠绕复合材料工艺过程的研究,

特别是在数值模拟

[9]20223[10211]

Ξ20060622收到初稿,20061016收到修改稿。ΞΞ杨　慧,女,1977年5月生,山东省齐河县人,汉族。讲师,硕士,主要从事纤维复合材料的力学性能研究。

　第30卷第2期杨　慧:纤维缠绕复合材料固化工艺过程数值研究251　

方面尚缺乏系统的分析和实用的计算方法。本文的主要目的是提出一种简单易行的数值计算模型,并基于该模型对几个重要的缠绕工艺参数进行详细系统的计算和分析。

基于Springer热化学模型,提出一种用于研究缠绕复合材料圆筒结构固化过程的数值模拟方法,通过用户子程序HETVAL把Springer热化学模型嵌入到ABAQUS中,采用接触模型和变约束方法处理缠绕过

(2)和式(4)可以推出

程中的动态约束问题,利用该数值方法研究缠绕速率对固化反应过程中温度场和固化度分布的影响。

=Kr+Kz+grVrHutrrzdt

(5)

对于芯轴,式(5)右端的最后一项为0。固化反应速率随固化度和时间的关系如下

(6)=f1(α,t)dt

初始时刻t0时的初始温度T0和初始固化度α0必

gC

须给予指定。因此初始条件如下

α=α(t=t0)T=T0　　0　　

(7)

2　Springer热化学模型

在固化炉内的加热作用下,树脂基体内会发生固化交联反应,反应会释放热量,同时固化体系内部及外部之间会发生热量传递。Springer热化学模型可以把缠绕速率、操作温度与复合材料缠绕筒体和芯轴的热

化学行为联系起来,可以描述固化度α、温度T和黏度μ在复合材料结构内部的分布和变化。该模型思想如下。

任取一微元(图1)进行能量分析,得出在炉内温度场均匀的前提下,度分布和变化的关系式,径向的传递,方向进行传递。

gC

初始时刻t0是指纤维束刚刚缠绕在筒体上的时刻,因此对各层来说初始时刻是不同的。因此边界条件要求在缠绕过程中各个时刻在芯轴和缠绕筒体上的表面温度

T=Teatr=Rmo+h0≤z≤L

T=TmT=TLTTR

atatat

r=Rmi+h

z=

0L

0≤z≤L

mi≤r≤Rmo+hmi≤r≤Rmo+(t>t0)　　(8)

、黏度和固化度沿轴向和径向的分布及它们随时间的变化。

=r+Kz+gQ′(1)trrz式中,T为复合材料或芯轴内的温度,t是时间,r和z分别为径向和轴向坐标方向,g是材料密度,Kr和Kz是r和z方向的导热系数,C是材料的热容。Q′是固化

反应放热速率。

由于固化反应只发生在复合材料内,关系式的最后一项可以表示为

33

(2)gQ′=grVrQr+gfVfQf式中,gr、gf分别为树脂基体和纤维的密度,Vr、Vf分别为树脂基体和纤维的体积含量,Qr和Qf分别为树脂基体和纤维的反应放热速率,由于纤维不参与反应

放热,所以关系式(2)的右边最后一项为0。树脂基体的固化度定义为

α=

Qr

Hu

3

3

图1　Springer热化学模型及边界条件

Fig.1　Springerthermalmodelandboundaryconditions

3　材料

基体材料为HBRF255材料,其固化反应速率和固

化度、温度、时间之间关系式的具体表达形式如下

H(K1+K2φa)(B-φd)c=

dtHu

(9)

(3)

ρT)式中　　　K1=A1exp(-ΔE1Π

Hu

ρT)　　　φ=K2=A2exp(-ΔE2Π

HT

上式中,Qr是从固化反应开始到时刻t的反应放热,

Hu是固化反应完全时所放总热量,式(3)经过变换可

t

dtdt

得到如下关系式

Qr′=

HBRF255材料与热化学反应过程有关的材料性质

Hdtu

(4)

列在表1中,本文中的缠绕复合材料圆筒结构几何参数为Ro=20m …… 此处隐藏：7310字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……