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复合材料层板热压温度场与树脂流动模拟及其实验验证.pdf

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复合材料 热压 温度场 树脂 流动 模拟 及其 实验 验证
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中 图 分 类 号 : TB332 论 文 编 号 : 10006SY0501244 硕 士 学 位 论 文 复 合 材 料 层 板 热 压 温 度 场 与 树 脂 流 动模 拟 及 其 实 验 验 证 作 者 姓 名 赵 婧 学 科 专 业 材 料 学 指 导 教 师 李 敏 培 养 院 系 材 料 科 学 与 工 程 学 院 Numerical Simulation and Experimental Validation on Thermo-kinetics and Resin Flow of Composite Laminates during Hot Pressing Process A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate: Zhao Jing Supervisor: Li Min School of Materials Science the 0-degree lay-up has the highest resin flow but little displacement in horizontal direction and its total flow depends on the flow in both directions; the bi-direction lay-up has the smallest displacement in both directions. It also indicates that pressure direction has little effect on laminates compaction and the simulation method of the region at extremity of the dropped plies will influence the prediction of fiber volume fraction. The effect of resin pressure on void formation was also investigated by simulation. It iiiindicated that low gel temperature, low relative moisture and large applied pressure help restrain the formation and growth of voids, which have good agreement with experimental data. The different impacts of type of lay-up on porosities in flat and variable thickness laminates show that wrapped air and fiber network also have great effects on porosity, which need to be on further research. Keywords: Composites; Hot pressing process; Simulation; Temperature field; Two dimensional resin flowiv 目 录 第 一 章 绪 论 ..........................................................................................................................1 1.1 研 究 背 景 与 意 义 .................................................................................................................1 1.2 国 内 外 研 究 现 状 .................................................................................................................1 1.2.1 热 压 过 程 热 化 学 模 型 .........................................................................................................2 1.2.2 热 压 过 程 树 脂 流 动 /纤 维 密 实 模 型 ....................................................................................6 1.2.3 热 压 过 程 孔 隙 模 型 .............................................................................................................9 1.2.4 热 压 工 艺 优 化 ...................................................................................................................10 1.3 论 文 主 要 内 容 ...................................................................................................................11 第 二 章 热 压 工 艺 过 程 模 型 分 析 ............................................................................................12 2.1 温 度 场 模 型 分 析 ...............................................................................................................12 2.1.1 假 设 条 件 .............................................................................................................................12 2.1.2 温 度 场 控 制 方 程 .................................................................................................................12 2.1.3 初 始 条 件 和 边 界 条 件 .........................................................................................................13 2.1.4 求 解 流 程 图 及 程 序 稳 定 性 验 证 .........................................................................................14 2.2 流 动 场 模 型 分 析 ...............................................................................................................15 2.2.1 假 设 条 件 .............................................................................................................................16 2.2.2 流 动 场 控 制 方 程 .................................................................................................................16 2.2.3 边 界 条 件 .............................................................................................................................18 2.2.4 吸 胶 材 料 的 处 理 方 法 .........................................................................................................19 2.3 耦 合 场 分 析 .......................................................................................................................20 2.3.1 各 场 耦 合 关 系 示 意 图 .........................................................................................................20 2.3.2 求 解 流 程 图 .........................................................................................................................21 第 三 章 热 压 工 艺 过 程 温 度 场 模 拟 与 验 证 ............................................................................22 3.1 物 理 参 数 对 模 拟 结 果 影 响 的 敏 感 性 分 析 .......................................................................22 3.1.1 比 热 容 .................................................................................................................................24 3.1.2 导 热 系 数 .............................................................................................................................27 3.1.3 密 度 ....................................................................................................................................30 3.1.4 纤 维 体 积 分 数 .....................................................................................................................30 3.2 模 拟 结 果 分 析 及 实 验 验 证 ...............................................................................................32 3.2.1 封 装 材 料 的 影 响 .................................................................................................................32 3.2.2 空 气 对 流 的 影 响 .................................................................................................................33 3.3.3 非 等 厚 层 板 的 温 度 场 .........................................................................................................34 3.3.4 大 型 复 杂 构 件 的 温 度 场 .....................................................................................................35 3.3 验 证 实 验 ...........................................................................................................................36 3.3.1 辅 助 材 料 ...........................................................................................................................36 3.3.2 120 玻 纤 布 /环 氧 5224 体 系 等 厚 层 板 .............................................................................37 3.3.3 T700 碳 纤 维 /双 马 QY8911 体 系 非 等 厚 层 板 .................................................................38 3.4 本 章 小 结 ...........................................................................................................................39 v第 四 章 热 压 工 艺 过 程 流 动 场 模 拟 与 验 证 ............................................................................40 4.1 压 力 梯 度 影 响 因 素 分 析 ...................................................................................................40 4.1.1 粘 度 对 吸 胶 边 界 压 力 梯 度 的 影 响 .....................................................................................42 4.1.2 渗 透 率 对 吸 胶 边 界 压 力 梯 度 的 影 响 .................................................................................43 4.1.3 外 加 压 力 对 吸 胶 边 界 压 力 梯 度 的 影 响 .............................................................................43 4.2 吸 胶 材 料 对 流 动 场 的 影 响 ...............................................................................................44 4.2.1 吸 胶 层 内 树 脂 厚 度 的 影 响 .................................................................................................45 4.2.2 纤 维 重 排 现 象 及 其 影 响 因 素 .............................................................................................46 4.2.3 验 证 实 验 .............................................................................................................................49 4.3 非 等 厚 层 板 的 流 动 场 分 析 ...............................................................................................52 4.3.1 加 压 方 向 的 影 响 .................................................................................................................53 4.3.2 铺 层 方 式 的 影 响 .................................................................................................................54 4.3.3 三 角 区 的 影 响 .....................................................................................................................58 4.3.4 验 证 实 验 .............................................................................................................................60 4.4 本 章 小 结 ...........................................................................................................................62 第 五 章 温 度 场 与 流 动 场 的 耦 合 及 孔 隙 和 工 艺 制 度 初 步 分 析 ............................................64 5.1温 度 场 与 流 动 场 的 耦 合 ....................................................................................................64 5.1.1 流 动 场 对 温 度 场 的 影 响 .....................................................................................................64 5.1.2 温 度 场 对 流 动 场 的 影 响 .....................................................................................................64 5.2 孔 隙 形 成 初 步 分 析 ...........................................................................................................65 5.2.1 温 度 制 度 的 影 响 .................................................................................................................67 5.2.2 相 对 湿 度 的 影 响 .................................................................................................................67 5.2.3 外 加 压 力 的 影 响 .................................................................................................................68 5.2.4 铺 层 方 式 的 影 响 .................................................................................................................69 5.3工 艺 制 度 对 温 度 场 的 影 响 ................................................................................................71 5.3.1 升 温 速 率 的 影 响 .................................................................................................................71 5.3.2 平 台 时 长 的 影 响 .................................................................................................................71 5.3.3 固 化 温 度 的 影 响 .................................................................................................................72 5.3.4 不 同 厚 度 的 影 响 .................................................................................................................72 5.3.5 温 度 场 影 响 因 素 分 析 .........................................................................................................73 5.4 本 章 小 结 ...........................................................................................................................75 结 论 ........................................................................................................................................76 参 考 文 献 ..................................................................................................................................77 攻 读 硕 士 学 位 期 间 发 表 的 论 文 ..............................................................................................81 致 谢 ........................................................................................................................................82
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