復(fù)合材料固化工藝評(píng)價(jià)與優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

李艷霞，顧軼卓，李 敏，王紹凱，張佐光

復(fù)合材料固化工藝評(píng)價(jià)與優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

李艷霞，顧軼卓，李 敏，王紹凱，張佐光

（北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京市材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100191）

該實(shí)驗(yàn)集成科研積累的材料性能數(shù)據(jù)開發(fā)形成數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)并構(gòu)建材料工藝性分析和復(fù)合材料成型固化過程虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生可快速分析樹脂體系的固化特性、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)工藝制度、探究制件結(jié)構(gòu)因素對(duì)工藝制度和工藝窗口的影響。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，避免了常規(guī)實(shí)驗(yàn)中設(shè)備、原材料、實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制，可開展多因素、多條件下的虛擬實(shí)驗(yàn)，增大了變量的選擇、設(shè)計(jì)和分析范圍，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考的積極性，對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)實(shí)踐和知識(shí)擴(kuò)展以及創(chuàng)新能力提升具有很好作用。

復(fù)合材料；固化工藝；虛擬仿真

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、便于大面積整體成型以及電磁性能可調(diào)等特點(diǎn)，是航空航天裝備的關(guān)鍵材料之一。復(fù)合材料用量已經(jīng)成為飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志[1-3]。復(fù)合材料成型過程涉及復(fù)雜的物理化學(xué)變化，固化工藝曲線的選擇和設(shè)計(jì)是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。樹脂固化過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部的溫度分布不僅依賴于模具提供的外熱源，還與樹脂固化反應(yīng)的放熱量有關(guān)，外部熱源與內(nèi)部熱源相互作用，形成復(fù)雜的溫度梯度分布和變化。而非均勻固化使材料內(nèi)部應(yīng)力積累，導(dǎo)致材料內(nèi)部局部出現(xiàn)分層、裂紋、孔隙以及變形等缺陷。因此，選擇合理的固化工藝曲線對(duì)于復(fù)合材料成型質(zhì)量控制具有重要意義[4-8]。

本實(shí)驗(yàn)集成科研過程積累的材料性能數(shù)據(jù)開發(fā)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并基于樹脂體系的固化動(dòng)力學(xué)模型，開發(fā)出材料工藝性分析模塊，用以快速分析樹脂體系固化特性、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)工藝制度、完成材料體系工藝性分析和探究實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，將材料數(shù)據(jù)庫與復(fù)合材料熱壓罐固化仿真模塊相結(jié)合，計(jì)算并分析復(fù)合材料制件成型過程的溫度和固化度均勻性，探究制件結(jié)構(gòu)因素對(duì)工藝制度和工藝窗口的影響，對(duì)學(xué)生深入理解工藝制度在復(fù)合材料成型制備中的重要性以及工藝調(diào)控方法具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可選擇材料體系，設(shè)計(jì)固化工藝制度并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，探索所選材料體系的固化工藝窗口，分析制件厚度對(duì)溫度均勻性、放熱峰、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等的影響，深入理解工藝制度對(duì)復(fù)合材料成型質(zhì)量的影響。本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備包括計(jì)算機(jī)、先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料熱壓罐成型固化仿真模擬軟件等。

實(shí)驗(yàn)方案及技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案及技術(shù)路線

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 選擇材料類型

基于復(fù)合材料熱壓罐成型固化仿真模擬平臺(tái)，在材料數(shù)據(jù)庫界面選擇材料類型，包括樹脂體系、復(fù)合材料、蜂窩材料、模具材料和輔助材料等，選擇樹脂體系后，可以查看所選樹脂體系的固化動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)。

2.2 選擇材料體系

基于材料工藝性分析窗口選擇材料體系，如X850樹脂體系[9]；點(diǎn)擊升溫設(shè)置按鈕設(shè)計(jì)不同的溫度曲線，如分別設(shè)置5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min。可以計(jì)算得到如圖2所示的固化度變化率隨溫度的變化曲線，從而分析得到樹脂開始發(fā)生固化反應(yīng)的溫度，即固化起始溫度i、固化度變化率達(dá)到最大時(shí)放熱峰值溫度p、固化度達(dá)到最大值不再發(fā)生變化時(shí)的溫度即固化終止溫度f，如圖3所示。由圖2和圖3可知，隨著升溫速率的增加，放熱峰向高溫方向移動(dòng)，同時(shí)固化起始溫度和固化終止溫度也相應(yīng)地向高溫移動(dòng)，通過外推法可以得到升溫速率為零時(shí)的特征溫度[10]，即起始溫度i、峰值溫度p、終止溫度f分別為 130 ℃、200 ℃、258 ℃。

圖2 X850樹脂體系不同升溫速率下固化度變化率隨溫度的變化情況

圖3 X850樹脂體系特征溫度隨溫度的變化情況

2.3 設(shè)計(jì)工藝制度

在材料工藝性分析模塊，根據(jù)樹脂體系的起始反應(yīng)溫度和峰值溫度設(shè)計(jì)工藝制度，并分析其固化反應(yīng)過程以及樹脂固化度等材料性能，評(píng)價(jià)工藝制度的合理性。

針對(duì)X850樹脂體系，分析兩種不同的工藝制度。一是采用3 ℃/min的升溫速率直接升至固化溫度 180 ℃，保溫2 h后，以－3 ℃/min的速率降溫到室溫；二是對(duì)升溫過程進(jìn)行調(diào)整，采用3 ℃/min的升溫速率升至120 ℃，隨后采用0.5 ℃的升溫速率升至150 ℃，再以3 ℃/min的速率升至固化溫度180 ℃，保溫2 h后以－3 ℃/min的速率降至室溫。兩種工藝制度下的固化度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖4所示。當(dāng)采用3 ℃/min速率直接升溫至180 ℃時(shí)，固化度變化比較劇烈，而在第二種工藝制度條件下，從開始固化反應(yīng)到達(dá)到95%固化度的時(shí)間歷程明顯加長。對(duì)于大厚度層板，由于第二種工藝制度固化過程熱量緩慢釋放，更有利于減小層板內(nèi)部溫差并提高固化均勻性。

圖4 X850樹脂體系在兩種工藝制度下的固化度隨時(shí)間變化曲線

2.4 分析材料工藝性

在材料工藝性分析模塊，改變升溫速率、固化溫度及恒溫時(shí)間，設(shè)計(jì)得到不同的工藝制度，并計(jì)算不同工藝制度條件下的樹脂固化歷程曲線，分析升溫速率、固化溫度和恒溫時(shí)間等因素對(duì)樹脂最終固化度以及固化工藝總時(shí)間的影響，確定不同樹脂固化度的工藝窗口。這些對(duì)于制件的制備工藝優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

針對(duì)前述X850樹脂體系的第一種固化制度，考察了不同恒溫時(shí)間對(duì)樹脂體系最終固化度的影響，如圖5所示。恒溫時(shí)間分別設(shè)置為30 min、45 min、 60 min、90 min、120 min，從而可根據(jù)樹脂體系最終固化度的需求，決定不同的恒溫時(shí)間。

圖5 X850樹脂體系的最終固化度隨恒溫時(shí)間的變化

2.5 分析溫度和固化數(shù)據(jù)

在等厚層板熱傳導(dǎo)/固化反應(yīng)仿真模塊，基于傅立葉熱傳導(dǎo)理論和樹脂固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，采用有限元方法，計(jì)算典型的等厚層板封裝體系內(nèi)部溫度傳遞和樹脂固化反應(yīng)規(guī)律，分析厚度對(duì)溫度和固化度以及工藝窗口的影響。

2.5.1 復(fù)合材料熱壓罐成型熱傳導(dǎo)/樹脂固化反應(yīng)的數(shù)值模擬原理

復(fù)合材料固化過程是一個(gè)在低熱傳導(dǎo)率、各向異性材料內(nèi)進(jìn)行的、具有內(nèi)熱源的化學(xué)反應(yīng)過程。在復(fù)合材料固化過程中，固化度和溫度是一種強(qiáng)耦合關(guān)系，不僅樹脂固化反應(yīng)程度受溫度影響，同時(shí)樹脂反應(yīng)放熱也引起溫度變化。假定：（1）忽略樹脂流動(dòng)引起的熱量傳遞；（2）復(fù)合材料內(nèi)部同一位置樹脂和纖維的溫度相同；（3）不考慮層板內(nèi)孔隙的影響。則基于傅立葉熱傳導(dǎo)定律和能量平衡關(guān)系，得到如下包含內(nèi)熱源各向異性材料的三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)控制微分方程[5]：

采用Kamal動(dòng)力學(xué)模型表征樹脂的固化歷程，其模型為式（3）：

式（2）、（3）中，u為整個(gè)反應(yīng)過程總放熱量；A為指前因子；E為反應(yīng)活化能；R為氣體常數(shù)；為固化度；和為反應(yīng)級(jí)數(shù)。

假如初始條件為：整個(gè)體系溫度分布均勻，固化度為0，即：

根據(jù)復(fù)合材料熱壓罐成型工藝特點(diǎn)，采用對(duì)流換熱邊界條件如式（5）：

式中，a為環(huán)境溫度，為對(duì)流換熱系數(shù)，x、y、z分別為表面與各坐標(biāo)軸夾角的方向余弦。

2.5.2 復(fù)合材料層板固化成型過程仿真

根據(jù)復(fù)合材料熱壓罐成型工藝特點(diǎn)，針對(duì)如圖6所示的材料，施加對(duì)流換熱邊界進(jìn)行熱傳導(dǎo)/樹脂固化反應(yīng)過程仿真。在材料數(shù)據(jù)庫中選擇材料體系及牌號(hào)，可以查看所選材料的基本性能，如密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，所選材料的基本性能參數(shù)通過程序直接傳到計(jì)算仿真模塊[11-12]。

圖6 復(fù)合材料固化過程中的能量傳遞

根據(jù)有限元計(jì)算要求，在前處理軟件中完成幾何模型建模、網(wǎng)格剖分、幾何模型材料屬性定義和邊界條件設(shè)置，如圖7所示。點(diǎn)擊開始計(jì)算按鈕，開始復(fù)合材料層板熱傳導(dǎo)/固化成型過程的模擬計(jì)算。

圖7 網(wǎng)格模型

2.5.3 溫度和固化度數(shù)據(jù)分析

針對(duì)X850樹脂基復(fù)合材料，將鋪層厚度分別設(shè)置為5 mm、10 mm、20 mm、30 mm，計(jì)算得到不同厚度復(fù)合材料時(shí)內(nèi)部的溫度和固化度分布及工藝過程的變化規(guī)律，分析厚度對(duì)層板內(nèi)溫差和固化度均勻性的影響，并針對(duì)大厚度復(fù)合材料制件設(shè)計(jì)合理的工藝制度。圖8為不同厚度復(fù)合材料層板內(nèi)部溫差隨工藝時(shí)間的變化情況。由圖8可知，相同的工藝制度下，隨著層板厚度的增加，層板內(nèi)最大溫差明顯增大。圖9為30 mm復(fù)合材料層板模型中，內(nèi)部典型位置的溫度隨工藝時(shí)間的變化曲線。由圖9可知，隨著外界溫度的升高，不同位置的溫差增大；樹脂體系開始發(fā)生固化反應(yīng)后，層板內(nèi)部溫度明顯升高，溫差增大；隨著恒溫時(shí)間的延長，溫差逐漸減小；降溫階段隨外界溫度的快速變化，層板內(nèi)降溫明顯滯后，從而產(chǎn)生較大溫差。

圖8 不同厚度復(fù)合材料層板內(nèi)部溫差隨工藝時(shí)間的變化情況

圖9 30 mm復(fù)合材料層板內(nèi)部典型位置溫度隨工藝時(shí)間的變化

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)集成科研過程積累的材料性能數(shù)據(jù)開發(fā)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并基于樹脂體系的固化動(dòng)力學(xué)模型，開發(fā)出材料工藝性分析模塊，用以快速分析樹脂體系固化特性、設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)工藝制度、完成材料體系工藝性分析和探究實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，將材料數(shù)據(jù)庫與復(fù)合材料熱壓罐固化仿真模塊相結(jié)合，計(jì)算并分析復(fù)合材料制件成型過程溫度和固化度均勻性，探究制件結(jié)構(gòu)因素對(duì)工藝制度和工藝窗口的影響，幫助學(xué)生深入理解工藝制度在復(fù)合材料成型制備中的重要性以及調(diào)控方法。

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，避免了常規(guī)實(shí)驗(yàn)中設(shè)備、原材料、實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制，可開展多因素、多條件下的虛擬實(shí)驗(yàn)，增大了變量選擇、設(shè)計(jì)和分析的范圍，激發(fā)了學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)思考的積極性，對(duì)于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)實(shí)踐和知識(shí)擴(kuò)展以及創(chuàng)新能力提升具有很好作用。

[1] 蔡菊生. 先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 合成材料老化與應(yīng)用，2018, 47(6): 94–97.

[2] 鄭錫濤，陳浩遠(yuǎn)，李澤江，等. 先進(jìn)復(fù)合材料在未來飛行器中的應(yīng)用[J]. 航空工程進(jìn)展，2011, 2(2): 181–187.

[3] 王恒生，程艷婷. 復(fù)合材料在航天領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 化工科技，2013, 21(2): 67–70.

[4] 李敏，顧軼卓，李艷霞，等. 聚合物基復(fù)合材料專業(yè)課程考核方式改革探析[J]. 陜西教育(高教版)，2012(10): 62–63.

[5] 李艷霞. 先進(jìn)復(fù)合材料熱壓流動(dòng)/壓縮行為數(shù)值模擬與工藝質(zhì)量分析[D]. 北京：北京航空航天大學(xué)，2008.

[6] 顧軼卓. 先進(jìn)復(fù)合材料熱壓工藝流動(dòng)/密實(shí)表征分析與理論預(yù)測(cè)[D]. 北京：北京航空航天大學(xué)，2007.

[7] 王雪明. 復(fù)合材料構(gòu)件制造缺陷統(tǒng)計(jì)分析與T形結(jié)構(gòu)整體成型規(guī)律研究[D]. 北京：北京航空航天大學(xué)，2010.

[8] 魯成旺. 復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2018.

[9] 徐鵬，晏冬秀，劉衛(wèi)平，等. 大厚度復(fù)合材料層合板固化制度數(shù)值模擬[J]. 航空制造技術(shù)，2017（增刊1）: 99–102.

[10] 陳淑仙，田鶴，李夢(mèng)，等. 環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料熱固化特征溫度和固化度研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2015(2): 16–20.

[11] 李艷霞. 先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐成型固化仿真技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 航空制造技術(shù)，2016(15): 76–81, 86.

[12] 李艷霞，顧軼卓，李敏，等. 復(fù)合材料熱壓罐成形工藝模擬特色實(shí)驗(yàn)[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014, 11(22): 59–62.

Virtual experiment on evaluation and optimization of composite curing process

LI Yanxia, GU Yizhuo, LI Min, WANG Shaokai, ZHANG Zuoguang

(Beijing Experimental Teaching Demonstration Center for Materials Science and Engineering, School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

This experiment integrates the data of material properties accumulated by scientific research to form a database, and designs and constructs a virtual simulation platform for material process analysis and composite material forming and curing process. Students can quickly analyze the curing characteristics of resin systems, design and evaluate process systems, and explore the effects of structural factors on process systems and process windows. The virtual simulation experiment with computer technology avoids the restrictions of equipment, raw materials, experimental conditions, etc., in conventional experiments. It can carry out multi-factor and multi-condition virtual experiment, which enlarges the range of variable selection, design and analysis, stimulates students’ initiative to think actively, and plays a very good role in students’ knowledge practice, knowledge expansion and innovation ability enhancement.

composite materials; curing process; virtual simulation

G642.0；TB332

A

1002-4956(2019)12-0170-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.040

2019-04-08

李艷霞（1977—），女，山東德州，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)樹脂基復(fù)合材料。E-mail: liyanxia@buaa.edu.cn