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碳纤维复合材料固化残余应力及变形研究

【摘要】:先进复合材料由于优异的轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀等性能,已经成为四大航空结构材料之一。但复合材料在固化过程中,由于材料的热收缩、树脂固化收缩等原因,成型后的复合材料将产生残余应力,降低构件的性能,导致构件变形,严重时影响装配甚至使构件直接报废。因此,需要一种可靠的方法能够监测复合材料成型以及服役过程的残余应力,或者预测出构件残余应力从而在前期设计中寻求解决方法。利用FBG传感器监测薄复合材料结构的研究已经比较充分,因此本文主要研究较厚的层合板。首先在层合板同一截面的不同厚度处埋置FBG传感器,监测固化过程中纤维方向的应变变化。结果发现,单向复合材料厚度方向上的残余应力存在梯度分布,分布规律与温度场分布规律一致,证实了温度变化是影响残余应力大小的一个重要因素,树脂粘弹性行为是形成应力梯度分布的主要原因。其次,文中引入了基于弹性模型的残余应力有限元算法和经典层合板理论的解析算法。采用两种方法对[0/90]度不对称铺层复合材料的固化变形进行了预测,同时采用热压罐工艺制作不对称铺层层合板,并测量层合板的固化变形。对比实验研究和预测结果后发现,有限元算法的预测结果准确性较高,而解析法的预测误差过大。表明解析法预测的可靠性较差,原因在于实际层合板的变形不符合经典层合板理论的小变形假设。最后,本文重点研究了模具对复合材料结构固化残余应力及变形的影响。通过FBG传感器监测了复合材料固化时的模具-构件作用,计算出模具-构件间的摩擦系数,将其引入有限元模型,做C形单向复合材料固化残余应力及变形的仿真模拟。为验证预测结果的准确性,本文采用FBG传感器在线监测了C形构件中一点的残余应力,该点的预测结果与实验结果相符。预测结果显示,模具-构件的切向作用力对残余应力的影响较小,与引入的闭合回路解析法预测结果一致,对残余应力及变形影响较大的是模具和构件的法向性能。因此,用殷钢模具替换铝模具后对同样的模型做了仿真。结果显示,殷钢模具上成型的C形构件固化残余应力小于铝模具上成型的相同构件。

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