碳纤维复合材料C型梁热隔膜预成型方法研究

• 作 者: 靳晓博
• 出 处: 大连理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 碳纤维复合材料 C型梁 热隔膜预成型 预成型仿真 预成型质量

随着碳纤维复合材料的发展,碳纤维复合材料在航空航天等领域取得了广泛应用,以C型梁为代表的典型复合材料型材构件应用日趋广泛。然而现有的手工制备工艺不仅低效、劳动强度大,而且批产质量一致性难以保障,如何实现复合材料型材的自动化制造,已经成为航空企业亟待解决的难题。热隔膜预成型因其操作简便易行,逐渐发展成为一种非常重要的低成本制造技术。本文结合某航空企业提出的技术需求,开展了碳纤维复合材料C型梁的自动化热隔膜预成型方法的初步研究。首先,采用理论分析与实验测试相结合的方式,对预浸料及隔膜的材料模型及力学性能开展了研究。根据正交各向异性材料应力-应变关系的工程常数表达式,给出了预浸料不同方向的工程常数的测试方法,对平面应力状态下预浸料的工程常数E₁、G₁₂进行了测试,并参考相关文献确定了不同温度下预浸料的性能参数。利用单拉伸试验,得到了隔膜材料的应力-应变关系,通过ABAQUS拟合得到了隔膜材料的超弹性本构模型。根据确定的预浸料及隔膜的材料模型,利用ABAQUS建立了热隔膜预成型过程的三维仿真模型,研究了隔膜的形变过程,确定了成型压强与C型梁“架桥”缺陷、最大突缘尺寸之间的关系,阐述了温度对C型梁可成型性的影响。利用研制的预浸料层间滑移特性测试夹具,测试了不同温度、不同压强条件下预浸料层间的摩擦系数,并分析了其摩擦特性转变规律。在此基础上,建立了多层预浸料热隔膜预成型二维仿真模型,探讨了不同温度对预制体内应力的影响。根据热隔膜预成型原理,构建了碳纤维复合材料热隔膜预成型实验平台,该平台包括热隔膜预成型实验系统、预成型温度调控系统和真空压力调控系统等,给出了C型梁预成型质量的评价标准和检测方法。利用构建的实验平台,开展了不同真空压强下的预成型试验,阐明了不同压强对C型梁预制体可成型性之间的关系以及模具表面不同点位的真空压强,给出了预成型温度对预制体内应力、预制体内的孔隙缺陷以及厚度分布的影响规律,为C型梁预制体的自动化热隔膜预成型工艺规范的制定提供了可靠的理论依据。