復合材料熱壓罐成形工藝模擬特色實驗

李艷霞++顧軼卓++李敏++張佐光

摘 要：先進樹脂基復合材料熱壓罐成形工藝模擬特色實驗，以自主開發(fā)的熱壓罐工藝成形工藝數(shù)值模擬平臺為基礎，基于計算機模擬的熱壓罐工藝理論分析，引導學生掌握復合材料熱壓工藝過程復雜的物理化學變化及其對復合材料成形質(zhì)量的影響，提升學生的實驗設計及分析能力，深入理解熱壓罐成形原理和工藝控制理論。結果表明，通過實驗的自主設計，學生可以有效掌握熱壓成形工藝數(shù)值模擬方法和工藝原理，開拓學習方法，為材料科學以及與試驗相關的其它學科的研究提供一種研究思路和研究途徑。

關鍵詞：樹脂基復合材料 熱壓罐工藝 實驗

中圖分類號：TB332；G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0059-04

先進樹脂基復合材料具有比強度高、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結構尺寸穩(wěn)定性好、便于大面積整體成形以及電磁性能可調(diào)等特點，是航空航天裝備的關鍵材料之一。成本過高是制約先進復合材料大量應用的一個非常突出的問題，其中制造成本是其最高單項，約占復合材料總成本的70%～85%，制造成本過高的主要原因如下：（1）“炒菜式”研發(fā)模式，制造方法的選擇和工藝參數(shù)的優(yōu)化均須要憑經(jīng)驗和實驗，從試樣到縮比件多次試驗，造成工藝研究費用高，科學性差；（2）制造規(guī)范不通用，從大量試驗摸索形成的較合理的制造工藝規(guī)范，只適用特定構件形式，當制件的結構形式改變，又需要新做大量試驗，耗資耗時；（3）復合材料制造質(zhì)量的可控性差，造成復合材料性能分散，材料許用值低，制件合格率低。基于數(shù)值模擬方法，開展先進復合材料的制造過程機理分析是解決先進復合材料制造成本和制造質(zhì)量控制問題的重要途徑。

武漢理工大學材料學院和天津工業(yè)大學、洛陽理工學院材料系針對復合材料本科專業(yè)開設綜合性實驗，強調(diào)實驗教學，不僅有利于學生對科學知識的學習，同時對提高學習興趣、培養(yǎng)實驗能力、增強探究意識和促進創(chuàng)新能力具有重要作用[1-3]。《復合材料熱壓成型工藝模擬特色實驗》是北京航空航天大學材料科學與工程學院在大專業(yè)培養(yǎng)模式基礎上[4-6]，為高分子及復合材料專業(yè)本科生開設的專業(yè)特色選課，它是基于數(shù)值模擬手段的專業(yè)實驗課程。熱壓罐成形工藝是航空航天領域制備先進復合材料的主要成形方法之一，復合材料熱壓成型過程包括溫度作用下樹脂體系化學交聯(lián)反應、樹脂交聯(lián)結構變化，壓力作用下樹脂流動/纖維密實等物理化學作用，涉及到高分子物理、高分子化學、滲流力學、材料力學等多學科知識。工藝模擬特色實驗不是簡單的數(shù)值模擬軟件操作學習，而是通過工藝數(shù)值模擬實驗，引導學生應用復合材料理論知識，掌握復合材料熱壓罐成形工藝的原理。復合材料熱壓成型工藝模擬軟件平臺是在多個國家級重點基礎項目支撐下，基于實驗和數(shù)值理論方法，建立的復合材料熱壓成型過程數(shù)字化模擬與工藝評價平臺，對于縮短復合材料研制周期、提高制件質(zhì)量可靠性、改變傳統(tǒng)的復合材料研制模式（試錯法和經(jīng)驗法），具有重要的意義[7-8]。基于軟件平臺，學生自主設計改變材料、工藝、結構因素，分析制件內(nèi)溫度、固化度、樹脂壓力、纖維體積分數(shù)等分布及變化規(guī)律，對于深入理解熱壓罐成形原理和工藝控制理論，提升學生的實驗設計及分析能力具有重要意義，同時為材料科學以及與試驗相關的其它學科的研究提供一種研究思路和研究途徑，開拓學習方法。

1 實驗設計

實驗方案及技術路線如圖1所示。

2 實驗方案

在樹脂基體工藝特性分析基礎上，學生自主設計三組工藝參數(shù)（T-t，P-t），基于復合材料熱壓成型過程數(shù)值模擬平臺，針對等厚層板計算不同工藝條件下層板內(nèi)纖維體積分數(shù)及其分布，根據(jù)制備層板的纖維體積分數(shù)判定工藝參數(shù)的合理性，理解工藝參數(shù)對于成型過程的重要性；工藝參數(shù)不變，改變鋪層方式，考察層板內(nèi)纖維體積分數(shù)及其分布，了解鋪層方式對成型過程的影響；改變材料體系，了解不同材料體系工藝特性的區(qū)別。

3 實驗案例

3.1 復合材料熱壓罐成形熱傳導/樹脂固化反應過程數(shù)值模擬

（1）實驗問題的詳細描述。

以30層玻纖布/環(huán)氧層板為對象，層板尺寸為100×100 mm，初始厚度為3.86 mm，初始纖維體積分數(shù)59%，平面尺寸遠大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向溫差。

溫度制度：從室溫以2 ℃/min上升到 130 ℃并保溫60 min，然后再以2 ℃/min從130 ℃升到180 ℃并保溫30 min，然后自然冷卻。

（2）分析問題，確定材料參數(shù)[7]等。

（3）建立研究問題的幾何模型。

平面尺寸遠大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向溫差，且上下面板對稱加熱。因此，取層板厚度的一半建模，平面尺寸可以為厚度的數(shù)倍。長度單位：mm。

（4）建立邊界條件。

初始條件：預浸料疊層初始溫度設置298K，固化度為非零極小數(shù)，如0.000001。

上邊界（AB）：設定工藝溫度，即為隨時間變化的溫度曲線。

左右邊（AC和BD）：對稱邊界，溫度T的法向梯度為零。

底邊界（CD）：層板中心面為對稱邊界，溫度T的法向梯度為零。

（5）網(wǎng)格剖分，建立有限元網(wǎng)格模型。

分析區(qū)域為規(guī)則四邊形，采用四節(jié)點四邊形結構化（structure）單元進行網(wǎng)格劃分，X，Y方向分別劃分20個單元。

（6）退出前處理軟件Gid，運行exe文件，開始計算求解。

（7）計算結果處理分析。

3.2 復合材料熱壓罐成形樹脂流動/纖維密實過程數(shù)值模擬

（1）實驗問題的詳細描述。

以30層玻纖/環(huán)氧層板為對象，預浸料上下表面對稱吸膠，且吸膠材料鋪放量足夠多，樹脂凝膠之前吸膠材料未達到飽和狀態(tài)，層板四周有擋條約束，使其不發(fā)生平面內(nèi)的樹脂流動，且平面尺寸遠大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向流動。endprint

材料體系：玻纖/環(huán)氧；層板尺寸：100×100 mm；初始厚度為3.86 mm；初始纖維體積分數(shù)59%；

工藝制度：從室溫以2 ℃/min上升到130 ℃并保溫60 min，然后再以2 ℃/min從130 ℃升到180 ℃并保溫30 min，然后自然冷卻；在130 ℃保溫30 min時刻施加0.4 MPa壓力。

（2）分析問題，確定材料參數(shù)[7]，邊界條件等。

（3）建立研究問題的幾何模型。

平面尺寸遠大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向流動，且層板為對稱吸膠。因此，取層板厚度的一半建模，平面尺寸可以為厚度的數(shù)倍。長度單位：mm。

（4）建立邊界條件。

上邊界（AB）：施加外加壓力F=Pa為均布力，同時上邊界為吸膠邊界，液體出口壓力為P=0（相對大氣壓），在壓力作用下，預浸料疊層發(fā)生變形，UV無約束。

左右邊（AC和BD）：對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，平面位移為零。

底邊界（CD）：層板中心面為對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，同時約束層板在x，y方向的位移即底邊固定。

（5）網(wǎng)格剖分、計算結果處理，同熱傳導問題。

3.3 實驗結果及分析

（1）熱傳導/固化反應過程數(shù)值模擬結果。

典型算例的結果如圖7～8所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置溫度和固化度隨時間的變化規(guī)律，以及任意時刻層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律，并由此可以分析層板內(nèi)溫度和固化度不均勻性。改變工藝制度（升溫速率、平臺溫度、恒溫時間等）、層板厚度會對層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律產(chǎn)生影響，學生自主設計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復合材料熱壓罐成形過程熱傳導/樹脂固化反應規(guī)律。

（2）樹脂流動/纖維密實過程數(shù)值模擬結果。

典型算例的結果圖9所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置樹脂壓力和纖維體積分數(shù)隨時間的變化規(guī)律，任意時刻層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分數(shù)分布規(guī)律，可以分析層板內(nèi)纖維密實程度不均以及樹脂壓力，并可以得到預浸料疊層厚度隨密實時間的變化規(guī)律。改變工藝制度（壓力、加壓時機等）對層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分數(shù)分布規(guī)律產(chǎn)生影響，進而影響密實質(zhì)量。學生自主設計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復合材料熱壓罐成形樹脂流動和纖維體積分數(shù)的變化，進而分析孔隙、富樹脂等工藝缺陷。

4 結語

實驗教學作為提升學生實踐能力和創(chuàng)新精神的必須途徑，將自主開發(fā)的復合材料熱壓工藝模擬平臺用于實驗課程，充分體現(xiàn)了科研成果與實驗教學的有機結合。先進樹脂基復合材料熱壓罐工藝仿真特色實驗具有節(jié)約時間、實驗成本低等特點，模擬仿真可以虛擬呈現(xiàn)復合材料在成形過程物理化學變化規(guī)律，對于學生深入理解課堂理論知識具有重要意義。這種新的實驗教學模式，促使學生了解數(shù)值模擬方法在材料科學中的應用，為培養(yǎng)適應當今科技和經(jīng)濟高速發(fā)展需求的高層次綜合型高素質(zhì)的創(chuàng)新人才奠定了基礎。

參考文獻

[1] 王翔，王鈞，楊小利.復合材料與工程專業(yè)綜合性實驗的設計與探討[J].科教文匯，2012年9月（下旬刊）：54-55.

[2] 王一文，張興祥，趙義平.復合材料與工程專業(yè)實驗教學改革探討[J].教育教學論壇，2013（9）：57-59.

[3] 劉少兵，付新建，周思凱，等.復合材料試驗技術課程實驗教學研究[J].廣州化工，2011，39（17）：130-131.

[4] 楊光，付春娟，李松梅，等.高分子材料合成技術綜合實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2011，28（6）：242-245.

[5] 李敏，顧軼卓，李艷霞，等.聚合物基復合材料專業(yè)課程考核方式改革探析[J].陜西教育，2012（10）：62-63.

[6] 段躍新，肇研.復合材料液體成型工藝特色實驗[J].實驗科學與技術，2013，11（2）：12-15.

[7] 李艷霞.先進復合材料熱壓流動/壓縮行為數(shù)值模擬與工藝質(zhì)量分析[D].北京：北京航空航天大學，2008.

[8] 顧軼卓.先進復合材料熱壓工藝流動/密實表征分析與理論預測[D].北京：北京航空航天大學，2007.endprint

材料體系：玻纖/環(huán)氧；層板尺寸：100×100 mm；初始厚度為3.86 mm；初始纖維體積分數(shù)59%；

工藝制度：從室溫以2 ℃/min上升到130 ℃并保溫60 min，然后再以2 ℃/min從130 ℃升到180 ℃并保溫30 min，然后自然冷卻；在130 ℃保溫30 min時刻施加0.4 MPa壓力。

（2）分析問題，確定材料參數(shù)[7]，邊界條件等。

（3）建立研究問題的幾何模型。

平面尺寸遠大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向流動，且層板為對稱吸膠。因此，取層板厚度的一半建模，平面尺寸可以為厚度的數(shù)倍。長度單位：mm。

（4）建立邊界條件。

上邊界（AB）：施加外加壓力F=Pa為均布力，同時上邊界為吸膠邊界，液體出口壓力為P=0（相對大氣壓），在壓力作用下，預浸料疊層發(fā)生變形，UV無約束。

左右邊（AC和BD）：對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，平面位移為零。

底邊界（CD）：層板中心面為對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，同時約束層板在x，y方向的位移即底邊固定。

（5）網(wǎng)格剖分、計算結果處理，同熱傳導問題。

3.3 實驗結果及分析

（1）熱傳導/固化反應過程數(shù)值模擬結果。

典型算例的結果如圖7～8所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置溫度和固化度隨時間的變化規(guī)律，以及任意時刻層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律，并由此可以分析層板內(nèi)溫度和固化度不均勻性。改變工藝制度（升溫速率、平臺溫度、恒溫時間等）、層板厚度會對層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律產(chǎn)生影響，學生自主設計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復合材料熱壓罐成形過程熱傳導/樹脂固化反應規(guī)律。

（2）樹脂流動/纖維密實過程數(shù)值模擬結果。

典型算例的結果圖9所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置樹脂壓力和纖維體積分數(shù)隨時間的變化規(guī)律，任意時刻層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分數(shù)分布規(guī)律，可以分析層板內(nèi)纖維密實程度不均以及樹脂壓力，并可以得到預浸料疊層厚度隨密實時間的變化規(guī)律。改變工藝制度（壓力、加壓時機等）對層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分數(shù)分布規(guī)律產(chǎn)生影響，進而影響密實質(zhì)量。學生自主設計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復合材料熱壓罐成形樹脂流動和纖維體積分數(shù)的變化，進而分析孔隙、富樹脂等工藝缺陷。

4 結語

實驗教學作為提升學生實踐能力和創(chuàng)新精神的必須途徑，將自主開發(fā)的復合材料熱壓工藝模擬平臺用于實驗課程，充分體現(xiàn)了科研成果與實驗教學的有機結合。先進樹脂基復合材料熱壓罐工藝仿真特色實驗具有節(jié)約時間、實驗成本低等特點，模擬仿真可以虛擬呈現(xiàn)復合材料在成形過程物理化學變化規(guī)律，對于學生深入理解課堂理論知識具有重要意義。這種新的實驗教學模式，促使學生了解數(shù)值模擬方法在材料科學中的應用，為培養(yǎng)適應當今科技和經(jīng)濟高速發(fā)展需求的高層次綜合型高素質(zhì)的創(chuàng)新人才奠定了基礎。

參考文獻

[1] 王翔，王鈞，楊小利.復合材料與工程專業(yè)綜合性實驗的設計與探討[J].科教文匯，2012年9月（下旬刊）：54-55.

[2] 王一文，張興祥，趙義平.復合材料與工程專業(yè)實驗教學改革探討[J].教育教學論壇，2013（9）：57-59.

[3] 劉少兵，付新建，周思凱，等.復合材料試驗技術課程實驗教學研究[J].廣州化工，2011，39（17）：130-131.

[4] 楊光，付春娟，李松梅，等.高分子材料合成技術綜合實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2011，28（6）：242-245.

[5] 李敏，顧軼卓，李艷霞，等.聚合物基復合材料專業(yè)課程考核方式改革探析[J].陜西教育，2012（10）：62-63.

[6] 段躍新，肇研.復合材料液體成型工藝特色實驗[J].實驗科學與技術，2013，11（2）：12-15.

[7] 李艷霞.先進復合材料熱壓流動/壓縮行為數(shù)值模擬與工藝質(zhì)量分析[D].北京：北京航空航天大學，2008.

[8] 顧軼卓.先進復合材料熱壓工藝流動/密實表征分析與理論預測[D].北京：北京航空航天大學，2007.endprint

材料體系：玻纖/環(huán)氧；層板尺寸：100×100 mm；初始厚度為3.86 mm；初始纖維體積分數(shù)59%；

工藝制度：從室溫以2 ℃/min上升到130 ℃并保溫60 min，然后再以2 ℃/min從130 ℃升到180 ℃并保溫30 min，然后自然冷卻；在130 ℃保溫30 min時刻施加0.4 MPa壓力。

（2）分析問題，確定材料參數(shù)[7]，邊界條件等。

（3）建立研究問題的幾何模型。

平面尺寸遠大于厚度尺寸，僅考慮層板厚度方向流動，且層板為對稱吸膠。因此，取層板厚度的一半建模，平面尺寸可以為厚度的數(shù)倍。長度單位：mm。

（4）建立邊界條件。

上邊界（AB）：施加外加壓力F=Pa為均布力，同時上邊界為吸膠邊界，液體出口壓力為P=0（相對大氣壓），在壓力作用下，預浸料疊層發(fā)生變形，UV無約束。

左右邊（AC和BD）：對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，平面位移為零。

底邊界（CD）：層板中心面為對稱邊界，垂直邊界的法向壓力梯度為零，同時約束層板在x，y方向的位移即底邊固定。

（5）網(wǎng)格剖分、計算結果處理，同熱傳導問題。

3.3 實驗結果及分析

（1）熱傳導/固化反應過程數(shù)值模擬結果。

典型算例的結果如圖7～8所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置溫度和固化度隨時間的變化規(guī)律，以及任意時刻層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律，并由此可以分析層板內(nèi)溫度和固化度不均勻性。改變工藝制度（升溫速率、平臺溫度、恒溫時間等）、層板厚度會對層板內(nèi)溫度和固化度分布規(guī)律產(chǎn)生影響，學生自主設計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復合材料熱壓罐成形過程熱傳導/樹脂固化反應規(guī)律。

（2）樹脂流動/纖維密實過程數(shù)值模擬結果。

典型算例的結果圖9所示，可以計算得到層板內(nèi)任意位置樹脂壓力和纖維體積分數(shù)隨時間的變化規(guī)律，任意時刻層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分數(shù)分布規(guī)律，可以分析層板內(nèi)纖維密實程度不均以及樹脂壓力，并可以得到預浸料疊層厚度隨密實時間的變化規(guī)律。改變工藝制度（壓力、加壓時機等）對層板內(nèi)樹脂壓力和纖維體積分數(shù)分布規(guī)律產(chǎn)生影響，進而影響密實質(zhì)量。學生自主設計工藝條件可以綜合分析計算所得數(shù)據(jù)，研究復合材料熱壓罐成形樹脂流動和纖維體積分數(shù)的變化，進而分析孔隙、富樹脂等工藝缺陷。

4 結語

實驗教學作為提升學生實踐能力和創(chuàng)新精神的必須途徑，將自主開發(fā)的復合材料熱壓工藝模擬平臺用于實驗課程，充分體現(xiàn)了科研成果與實驗教學的有機結合。先進樹脂基復合材料熱壓罐工藝仿真特色實驗具有節(jié)約時間、實驗成本低等特點，模擬仿真可以虛擬呈現(xiàn)復合材料在成形過程物理化學變化規(guī)律，對于學生深入理解課堂理論知識具有重要意義。這種新的實驗教學模式，促使學生了解數(shù)值模擬方法在材料科學中的應用，為培養(yǎng)適應當今科技和經(jīng)濟高速發(fā)展需求的高層次綜合型高素質(zhì)的創(chuàng)新人才奠定了基礎。

參考文獻

[1] 王翔，王鈞，楊小利.復合材料與工程專業(yè)綜合性實驗的設計與探討[J].科教文匯，2012年9月（下旬刊）：54-55.

[2] 王一文，張興祥，趙義平.復合材料與工程專業(yè)實驗教學改革探討[J].教育教學論壇，2013（9）：57-59.

[3] 劉少兵，付新建，周思凱，等.復合材料試驗技術課程實驗教學研究[J].廣州化工，2011，39（17）：130-131.

[4] 楊光，付春娟，李松梅，等.高分子材料合成技術綜合實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2011，28（6）：242-245.

[5] 李敏，顧軼卓，李艷霞，等.聚合物基復合材料專業(yè)課程考核方式改革探析[J].陜西教育，2012（10）：62-63.

[6] 段躍新，肇研.復合材料液體成型工藝特色實驗[J].實驗科學與技術，2013，11（2）：12-15.

[7] 李艷霞.先進復合材料熱壓流動/壓縮行為數(shù)值模擬與工藝質(zhì)量分析[D].北京：北京航空航天大學，2008.

[8] 顧軼卓.先進復合材料熱壓工藝流動/密實表征分析與理論預測[D].北京：北京航空航天大學，2007.endprint