大厚度碳纤维复合材料固化应力的研究开题报告

全文总字数：5984字

1. 研究目的与意义（文献综述）

目的与意义

复合材料的研究水平和应用程度是衡量一个国家科技发展水平的重要体现，尤其当前，各种先进装备无不与复合材料紧密联系在一起。复合材料的应用部位已从次承力转向主承力构件，刚度和强度要求不断提高，增加结构厚度作为平衡性能和重量的有效措施，导致大厚度复合材料结构已经成为大型装备的关键组成部分，如民用飞机复合材料结构的厚度可达 45 mm，个别连接处甚至达到 160 mm[1]。但成型过程中的加热操作和树脂自身的固化放热，复合材料不可避免的产生固化应力和变形。过高的固化应力会引起层间分层、树脂开裂；过大的变形给组装带来挑战，甚至可能超出装配容差导致结构报废。无论从性能指标还是装配要求上，在实际制造中越来越多的要求在保证质量的同时控制结构整体变形。作为预测固化应力和变形理想和高效的技术手段，数值模拟具有预测精度高、使用性广等显著优点。其模拟过程是根据结构尺寸建立有限元模型，考虑成型过程中可能发生的物理化学变化，选择特定理论描述材料的本构行为，模拟固化过程，所以其本身具有很强的选择性和一定的复杂性。在成型工艺可实现的前提下，如何发挥数值模拟和理论解析工具的优势，减少工艺试验迭代的次数，制造出满足要求的复合材料结构，是研究人员永远的追求。

国际已经开始探索以数值仿真为主，工艺试验和理论预测为辅的复合材料固化应力和变形控制技术，可有效减少总体制造工时，同时提高构件质量，并显著降低综合成本，适用于使用条件苛刻和结构性能要求较高的主承力大厚度复合材料结构的制造。目前国内仍以制造中小厚度的结构为主，相应的固化应力和变形预防措施以经验和工艺试错为主，效率低、成本高。

2. 研究的基本内容与方案

研究内容

（1）固化复合材料性能和模具-构件作用力的测试与表征

在宏观尺度上预浸料制造的复合材料由单层板叠加而成，在微观尺度上单层板由树脂和纤维组成，胶前的单层板在介观尺度上又可认为由骨架和骨架实体组成。首先，选用合适的微观模型，利用组分材料性能，表征与固化度、温度和纤维体积份数含量相关的单层板热物理和凝胶后的力学性能等参数，并结合层合板体积代表单元，利用单层板性能预测层合板的等效力学性能；然后，试制具有不同固化度的预浸料单向铺层平板（均未凝胶），对其进行准静态压缩实验测试，分析、归纳总结数据，分别在介观和微观尺度上提出单层板骨架和骨架实体的力学性能预测公式；最后，设计实验测试固化全过程的模具-构件作用力，推导模具-构件作用力模型表达式。

3. 研究计划与安排

第1－3周: 查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－5周: 学习abaqus软件，了解软件各部分的作用。

第6－10周：建立典型大厚度复合材料结构的有限元模型，模拟复合材料在固化过程中应力和温度梯度变化。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 陈绍杰. 浅谈空客 a380 的复合材料应用. 高科技纤维与应用. 2008;33:1-4 24.

[2] johnston aa. an integrated model of the development ofprocess-induced deformation in autoclave processing of composite structures[ph.d.]: the university of british columbia 1998.

[3] shokrieh m. residual stresses in composite materials:woodhead publishing, 2014.