碳纤维复合材料的结构模型仿真及其成型工艺的多场耦合数值模拟

论文摘要

碳纤维增强复合材料因其优异的性能被广泛的应用于军事与航空领域，其核心制造工艺包括预制体结构骨架的编织和固化成型两个方面的内容。由于细观结构的复杂性与成型过程在多重物理化学变化影响下的不可控性，实际生产多采用基于历史经验的试制法，增加了制造成本，产品质量的稳定性也无法得到保证。本文结合可视化三维建模技术与数值模拟仿真技术，针对碳/碳和树脂基两种碳纤维增强材料，分别进行编织和成型两个阶段的工艺模拟研究，完成了相关自主软件的研发，对实际工艺的原理性分析与制件结构的量化分析具有较高的指导性意义。本文依据轴棒法三维四向编织工艺的结构特点，基于UG建模平台，结合UG二次开发技术和参数化设计的思想，实现了预制体的智能化结构仿真功能；通过参数校验、用户引导等辅助机制，开发了交互性良好的用户界面；主要模块由单面剖切、多面剖切、块状孔隙切片及参数反求等组成，可建立编织工艺与孔隙结构间的量化关系，并将其作为成型工艺模拟中结构参数的选用与计算的工具。使用流体仿真软件Fluent对热压罐的温度与压力环境进行了模拟，给出了热压工艺的边界简化方法；建立了热化学和密实流动模块的三维数学模型，可对热传导、固化放热、树脂流动及层板压缩等过程进行描述，采用隐式差分法得到了各场量的控制方程的离散格式，并给出了参与计算的各参量的选用与求解方案；在VS2010编程环境下完成了模拟软件的开发，通过标准化实验的算例分析，验证了本文所采纳的工艺模型与数值算法的可靠性；设计了多组基于控制变量法的参数对比试验，着重考虑了尺度变化、材料的导热性、边界温度梯度、工艺升温速率、工装体系及固化压力的影响；实现了模块间的耦合计算，通过对某些过程参数变化规律的综合性考量，给出了几类异常模拟结果的合理性说明。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 课题的目的与意义
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.4 主要研究内容
• 2 预制体结构模型仿真系统的开发平台及关键技术
• 2.1 系统需求分析与总体设计
• 2.2 UG 智能建模平台
• 2.3 UG 二次开发与 MFC 界面混合编程技术
• 2.4 参数化设计方法
• 2.5 本章小结
• 3 系统的具体实现
• 3.1 三维编织结构的自动化造型原理
• 3.2 用户界面开发
• 3.3 系统的设计细节
• 3.4 系统的主要功能模块
• 3.5 本章小结
• 4 热压罐成型工艺原理与多场耦合的数学模型
• 4.1 热压罐工艺环境分析与模拟方案设计
• 4.2 热化学模块
• 4.3 密实流动模块
• 4.4 模块的相互耦合关系
• 4.5 计算参数的拟合方法
• 4.6 已有模型的缺陷分析
• 4.7 本章小结
• 5 工艺体系模型与数值求解方法
• 5.1 热化学模块
• 5.2 密实流动模块
• 5.3 本章小结
• 6 热压成型工艺模拟算例与结果分析
• 6.1 热化学模块算例分析
• 6.2 流动密实模块算例分析
• 6.3 模块耦合后的算例分析
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1：攻读硕士学位期间发表的论文