热压罐模具对复合材料构件固化变形的影响分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

先进树脂基复合材料（advanced polymer matrix composites） ，主要是指以树脂作为承力载体，用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料 。自 20 世纪60 年代中期问世以来，由于其可设计性、材料与结构的同一性、密度小、比强度高、耐腐蚀、独特的电热性能，以及便于大面积整体成型等显著优点，与传统钢、铝合金结构材料相比，综合性能更优越，使其在航空航天等高科技领域得到了广泛应用 。

高性能复合材料如碳纤维环氧复合材料的固化过程是基体材料从液态变为固态的过程，这个过程是一个复杂的热、化学和力学性能急剧变化的过程，由于热效应和化学反应效应会导致残余应力和变形产生。复合材料固化残余应力和变形产生的来源分为内因(材料特性、铺层方式和工件形状)和外因(工艺方式和模具)，这两大来源在三个不同级别上积累而成：纤维一基体，铺层一铺层和结构级别。产品脱模后，一部分应力得以释放，促使工件产生变形，另一部分应力在工件中以残余应力的形式长久存在。残余应力和固化变形的控制对于降低成本 、提高结构使用寿命具有重要意义。本文主要讨论热压罐模具对复合材料构件固化变形的影响。

热压罐成型工艺是聚合物基复合材料构件成型的主要方法之一， 由于其广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹芯结构及复合材料胶接结构的成型，已成为航空航天领域的主承力和次承力结构件成型的首选工艺。热压罐成型工艺是将复合材料毛坯、 蜂窝夹芯结构或胶接结构用真空袋密封在模具上，置于热压罐中，在真空（或非真空）状态下，经过升温→加压→保温（中温或高温）→降温和卸压等过程，使其成为所需要的形状和质量的成型工艺方法。其主要特点如下： （1）罐内压力均匀； （2）罐内空气温度均匀； （3）适用范围较广，模具相对简单， 效率高， 适合大面积复杂型面的蒙皮、壁板和壳体的成型； （4）成型工艺稳定可靠。

在热固性树脂基复合材料热压罐成型过程中,由于金属固化模具与复合材料之间的热膨胀系数不匹配导致了复合材料构件与模具之间的相互作用。在热压罐内压力的作用下复合材料构件紧贴在模具表面上, 升温过程中 , 模具与复合材料之间产生剪切应力, 模具承受压应力而构件将承受拉应力 。模具与构件之间的相互作用从树脂基体进入黏弹性阶段,阶段 Ⅱ 开始出现 , 此时复合材料的剪切模量很低, 紧贴在模具表面的铺层受到的影响最大,而远离模具的铺层承受的剪切力远小于紧贴模具表面的铺层。因此, 沿构件的厚度方向会形成了一个应力梯度, 该应力梯度随着树脂的固化定型而残留在构件内, 直至固化完成后, 复合材料构件脱模, 残余应力得到释放而导致构件变形。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

热压罐整体化成型工艺中金属模具与复合材料构件之间的热不匹配是导致复合材料构件固化残余应力及变形的因素之一。通过实验的方法监测复合材料单向板固化过程中沿构件厚度方向和面内的残余应力发展及分布情况，以此研究并分析由金属模具与复合材料构件之间的热不匹配所导致的固化残余应力。

2.2研究目标

1.了解国内外相关研究概况和发展趋势；

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：按照实验设计方案，搭建实验平台。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器岳广全,张博明,戴福洪,杜善义. 固化过程中模具与复合材料构件相互作用分 析[j]. 复合材料学报.2010(06)

[2] 万里冰,武湛君,张博明,王殿富. 光纤布拉格光栅监测复合材料固化[j]. 复合材料学报. 2004(03)

[3] 岳广全. 整体化复合材料壁板结构固化变形模拟及控制方法研究[d]. 哈尔滨工业大学 2010