复合材料层合板的非同步固化翘曲变形分析.pdfVIP

第32卷第1期 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 Vo1．32 No 1 2000年 2月 Journal of Nanjing University of Aeronautics＆ Astronautics Feb 2000 复合材料层合板的非同步固化翘曲变形分析 一 南京 熹 行 摘要 复台材料层合板在实际固化过程中周板内温度拂度舫存在，各铺层内树脂的固化反应并 非同步进行。这种非同步过程导致层合板内固化后残余应力的分布不同于经典分析方法舫计算 结果，使按对称铺层设计的层合板亦存在固化后翘曲变形。针对实际固化过程的非同步特征，文 中蛤出一种基于弹性子叠层块的非同步固化过程描述模型，用此模型对非同步固化过程引起的 对称层台板翘曲变形进行计算机模拟．分析树脂固化收缩率，固化过程中板内温度梯度， 及晨 台板铺叠方式对非同步固化翘曲变形的影响作用．为复合材料层合构件的设计和制造工作提供 值模拟 斜反 ， }=『 弓 复合材料层合板固化残余应力和变形的经典分析方法隐含地基于一个基本假设：板内 各铺层的固化热历程和固化反应完全同步，在此假设下，采用对称铺层设计的层合板固化 后不发生翘曲变形。然而在真实固化过程中，由于板内温度梯度的存在，各铺层的同步固化 实际上无法实现，残余应力和板的变形状态在很大程度上为具体固化过程所左右。如能借助 计算机模拟手段对非同步固化过程引起的翘曲变形趋势加以预测分析，无疑可对复合材料 层合构件的设计和制造工作提供有益帮助。近年来，关于残余应力形成过程的研究工作以 Bogetti等人提出的模型_] 较具代表性，被许多文献所引用。本文借鉴该模型的一些思想方 法，并兼顾非同步固化过程中各铺层发生不连续应变的可能性以及固化压力对层舍板翘曲 的限制作用，给出一种以 弹性子叠层块”为基础，允许板内未结合部分发生非一致自由应变 的非同步固化描述模型，用于模拟层合板因非同步固化引起的固化后翘曲变形，分析树脂固 化收缩率，固化过程中板内温度梯度，以及层台板铺叠方式对层合板翘曲变形的影响作用 收稿El期：1999—03—17；修改稿收到El期：1999—08—10 第一作者：戴 棣，男，高级工程师，19S4年 1月生 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报 第 32卷 1 非同步固化模型 1．1 模型的基本假设和对非同步固化过程的描述 模型对固化过程及材料特性作以下基本假设：(1)当树脂固化反应达一定程度时，其粘 度急剧上升而趋于。。。树脂从粘流态向玻璃态的凝胶转变在该点迅速完成。凝胶点对应的 固化反应程度用 表示。(2)当树脂处于粘流态的铺层与其他铺层的变形不产生相互制约 作用时，该铺层处于自由应变状态 (3)当板内两个相邻铺层的树脂均处于玻璃态时，两铺层 结合为～体。层合板理论适用于该结合体的分析 (4)铺层厚度足够小，其内部温度和固化 反应程度始终均匀分布 在 层合板 固化过程 中，由于板厚方 固化压力 固化压力 固化压力 向温度梯度的存在，各铺层的固化进程 处于非同步状态。一般而言，层合板经历 苣号 j乒堂一- imi 如图l所示的三个阶段： 在第一阶段，各铺层的树脂均呈牯 流态。在第二阶段，层合板中某些铺层的 口 ■一 树脂呈粘筑态之铺层 树脂呈玻璃寿之铺层 树脂转为玻璃态，在层合板中形成弹性 子叠层块。定义弹性子叠层块具下述特 图1 层合板非同步固化过程 征；(1)块内所有铺层树脂均呈玻璃态。 (2)块的上、下表面或与树脂仍处粘流态的铺层相邻，或本身即为层合板表面 (3)块内各铺 层结为～弹性整体，铺层的应变增量为连续性条件所制约，可月层合板理论进行描述 髓固 化过程的进行，弹性子叠层块会发生扩展或合并。设一包容 个铺层的弹性子叠层块A在 时刻f 形成，在