复合材料壳体热缠绕过程数值模拟研究

论文摘要

由于纤维缠绕复合材料具有比强度大、比刚度高和耐腐蚀等优点,使其在航空航天、能源输送和压力容器等领域得到了广泛应用,各种复合材料成型工艺也应运而生,而复合材料的成型工艺直接决定了其成型质量,所以研发高效的成型工艺是提高复合材料成型质量的关键。传统的纤维缠绕复合材料壳体的成型通常采用先缠绕后固化的方法,这种成型方法所需时间长,成型效率低,而本文研究的热缠绕工艺是一种边缠绕边固化的工艺,它是采用蒸汽加热金属芯模实现正在缠绕的复合材料的固化成型的新工艺,这种工艺可节省成型时间和成本,提高成型效率和质量。本文介绍热缠绕工艺的原理,建立热缠绕过程的热传导模型、固化动力学模型和应变模型,并给出求解所需的初始条件和边界条件。采用有限元法实现对热缠绕过程的数值模拟,使用均方收敛的牛顿-拉夫逊迭代方法求解微分方程,并验证本文算法的正确性。以有限元软件ANSYS和APDL语言开发复合材料壳体热缠绕过程的数值模拟程序,对壳体热缠绕过程进行数值模拟,分析壳体热缠绕过程中复合材料内部温度、固化度和应变的变化历程,研究升温速率、缠绕速度和表面对流换热系数对热缠绕过程中温度、固化度和应变的影响。本文研究的热缠绕工艺已经应用于复合材料壳体成型,实践应用表明:采用热缠绕工艺生产的壳体性能优于其他传统壳体成型工艺,采用热缠绕工艺可实现复合材料壳体高效、优质且低成本成型。对筒型壳体热缠绕过程的数值模拟表明:应该在保证壳体固化效率的前提下,尽量降低升温速率、提高缠绕速度、增大表面对流换热系数,以提高壳体质量。该研究为实现纤维缠绕壳体高效、优质且低成本成型提供新思路,为壳体热缠绕工艺的设计和优化提供理论基础和分析方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究背景和目的意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究背景和目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 热缠绕过程的数学模型
• 2.1 热缠绕工艺原理
• 2.2 热传导模型
• 2.3 固化动力学模型
• 2.4 应变模型
• 2.5 固化制度
• 2.6 初始条件和边界条件
• 2.7 本章小结
• 第3章 热缠绕过程的求解
• 3.1 离散化
• 3.2 牛顿-拉夫逊迭代
• 3.3 求解流程
• 3.4 算法验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于ANSYS 的数值模拟
• 4.1 温度场和固化度场的数值模拟
• 4.1.1 前处理
• 4.1.2 施加边界条件及载荷
• 4.1.3 求解及后处理
• 4.2 应变场的数值模拟
• 4.2.1 前处理
• 4.2.2 施加边界条件及载荷
• 4.2.3 求解和后处理
• 4.3 本章小结
• 第5章 模拟结果及分析
• 5.1 数值模拟结果
• 5.2 工艺参数对结果的影响
• 5.2.1 升温速率对结果的影响
• 5.2.2 缠绕速度对结果的影响
• 5.2.3 表面对流换热系数对结果的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢