CN108268692A - 自动铺丝复合材料固化变形预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动铺丝复合材料制造领域，具体而言，涉及自动铺丝复合材料固化变形预报方法。该自动铺丝复合材料固化变形预报方法，包括：建立自动铺丝复合材料的正弦曲线走向模型，采用正弦曲线走向模型模拟完整的自动铺丝复合材料；将正弦曲线走向模型应用到有限元模型中，控制自动铺丝复合材料的纤维束之间的角度，设定边界条件和载荷，模拟分析自动铺丝复合材料的固化变形。采用该方法能够很好地模拟结构件的变形预报，为丝束自动铺放工艺提供指导。并且自动铺丝复合材料双曲面板固化变形预报平均误差小于20％。

Description

自动铺丝复合材料固化变形预报方法

技术领域

本发明涉及自动铺丝复合材料制造领域，具体而言，涉及自动铺丝复合材料固化变形预报方法。

背景技术

自动铺丝复合材料的制造工艺有其自身的特点，自动化程度高，铺放效率高，广泛应用于飞机复杂型面的复合材料结构件对纤维丝束自动铺放技术。

但是，在实际的铺丝工艺中会产生各种的工艺缺陷，例如：纤维采用不同的铺设角度进行铺放的时候，不可避免地要产生铺料重叠现象，这样，采用不同的铺丝角度就会对复合材料局部力学性能产生影响，所以需要研究铺丝角度对复合材料局部力学性能影响；同时，铺丝过程中又会伴有其他的缺陷产生，例如：铺料之间产生了间隙，铺层之间产生的空隙与富树脂区等缺陷，这些也会对复合材料的固化变形产生影响，所以也需要对其进行研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法，能够为丝束自动铺放工艺提供指导。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法，包括：

建立自动铺丝复合材料的正弦曲线走向模型，采用正弦曲线走向模型模拟完整的自动铺丝复合材料；

将正弦曲线走向模型应用到有限元模型中，控制自动铺丝复合材料的纤维束之间的角度，设定边界条件和载荷，模拟分析自动铺丝复合材料的固化变形。

在本发明较佳的实施例中，

建立正弦曲线走向模型是在三维几何平板上按照正弦曲线进行几何分割，并且在相邻的纤维束之间设定1mm宽的丝束间隙。

在本发明较佳的实施例中，

建立有限元模型时，相邻的自动铺丝复合材料的纤维束之间设定为0°或者90°。

在本发明较佳的实施例中，

边界条件采用对称边界条件。

在本发明较佳的实施例中，

对称边界条件是分别沿X和Y方向对称。

在本发明较佳的实施例中，

载荷的形式为温度场，且施加于整个三维几何平板上。

在本发明较佳的实施例中，

计算自动铺丝复合材料的材料参数时，设定自动铺丝复合材料的纤维体积含量为60％。

在本发明较佳的实施例中，

模拟分析自动铺丝复合材料的固化变形包括对自动铺丝复合材料进行应力分析、刚度预报、损伤模拟以及强度预报。

一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法，包括：

建立自动铺丝复合材料的正弦曲线走向模型，采用正弦曲线走向模型模拟完整的自动铺丝复合材料；

将正弦曲线走向模型应用到有限元模型中，控制相邻的自动铺丝复合材料的纤维束之间的角度差，设定边界条件和载荷，模拟分析自动铺丝复合材料的固化变形。

在本发明较佳的实施例中，

建立有限元模型时，相邻的自动铺丝复合材料的纤维束之间设定位5-10°。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法，包括：建立自动铺丝复合材料的正弦曲线走向模型，采用正弦曲线走向模型模拟完整的自动铺丝复合材料；将正弦曲线走向模型应用到有限元模型中，控制自动铺丝复合材料的纤维束之间的角度，设定边界条件和载荷，模拟分析自动铺丝复合材料的固化变形。采用该方法能够很好地模拟结构件的变形预报，为丝束自动铺放工艺提供指导。并且自动铺丝复合材料双曲面板固化变形预报平均误差小于20％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为正弦曲线变刚度复合材料的几何示意图；

图2为基于正弦曲线走向的自动铺丝复合材料ABAQUS几何模型；

图3为Mises应力云图；

图4为碳纤维复合材料的Mises应力云图；

图5为树脂的Mises应力云图；

图6为预报应力-应变曲线；

图7为0°纤维和90°纤维复合材料层示意及网格划分；

图8为层合板的固化残余应力云图；

图9为层合板的整体固化变形云图；

图10为5°和10°相邻丝束角度差的模型和网格划分；

图11为5°相邻丝束角度差的残余应力分布云图；

图12为10°相邻丝束角度差的残余应力分布云图；

图13为5°相邻丝束角度固化变形位移云图；

图14为10°相邻丝束角度固化变形位移云图；

图15为宏观应力-应变曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

自动铺丝复合材料在工艺上的铺设缺陷，例如不同铺层之间的重叠、空隙和富树脂区，以及铺层之间的间隙等会给自动铺丝工艺生产的复合材料的力学性能(例如复合材料结构的强度和刚度)带来影响。发明人在研究中发现，因为不同铺层之间的重叠区域在实际使用中往往通过后机加工的方式，切削或打磨重叠部分，所以间隙(富树脂区)对局部的力学性能影响更为突出。本申请来源“国防基础科研计划资助”，项目编号：A0520131001。

本实施例提供一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法，从细观力学模型和宏观层合板理论出发，建立针对自动铺丝复合材料的考虑丝束间隙的变刚度复合材料力学模型，并在此基础上引入纤维、树脂和界面的三相材料失效准则，实现对自动铺丝复合材料的渐进损伤预报。具体地：

S1、建立自动铺丝复合材料的正弦曲线走向模型，采用正弦曲线走向模型模拟完整的自动铺丝复合材料。

请参照图1，实际自动铺丝复合材料根据铺丝头设计轨迹，往往存在一些沿曲线走向的碳纤维丝束，即所谓“变刚度复合材料”。变刚度复合材料不同于传统复合材料层合板，材料的性能不仅存在铺层角度的不同，同一层内的复合材料因纤维走向不同，对于选定的主方向性能，存在刚度随纤维铺放角度变化而变化的的特性。本发明针对理想化的正弦曲线走向的碳纤维丝束自动铺放复合材料，进行力学性能研究。

正弦曲线定义如下：

基于此，本发明建立了一块200×200×1的三维几何平板，在几何平板上按照正弦曲线进行几何分割，在相邻丝束之间留有1mm宽的丝束间隙(假设间隙由固化中流出的树脂完全填充)。在有限元软件ABAQUS中建立的几何模型如图2所示。

进一步地，采用对称边界条件，即分别沿X和Y方向对称。载荷形式为拉伸位移载荷，施加沿X方向，从0逐步增加至1.5。增量步步长0.05，故总计20个增敛部内完成计算。

进一步地，表1示出了本例计算所采用材料参数列在下表中(假设纤维体积含量为60％)。

表1材料参数表

进一步地，宏-细观渐进损伤预报方法，着眼于材料的细观层面，在细观层面上(包括纤维、基体与界面相)进行力学分析与强度校核，然后同宏观层合板理论结合、协同分析，构建了基于细观层面(组分级)的多尺度层合板强度预报分析方法。基于细观力学方法与经典层合理论相结合，预报层合板强度的具体流程如下：(1)宏观应力场分析，通过经典层合板理论得出不同工况(载荷)下的宏观应力场/应变场，进一步将不同的单层内应力/应变分解到相应的材料主方向的坐标系上。(2)细观应力场分析，将上一步得到的单层内的应力场/应变场作为细观模型的外界载荷，进行细观应力场分析，得到组分级纤维、基体和界面相的应力场/应变场。(3)细观组分失效判断，基于上一步计算得到的纤维、基体和界面相的应力场，利用各自的失效准则进行判断，如果发生了损伤，则要进行相应的刚度衰减处理。(4)返回宏观刚度矩阵，对衰减后的组分刚度重新整合，得到更新后的整体宏观刚度矩阵，将宏观刚度返回到层合板计算程序中。(5)判断最终失效，通过层合板理论将返回的每个单层的刚度整合，进行整体宏观刚度校核，判断是否达到最终失效的标准，如何达到最终失效则停止运算，返回最终失效强度，否则返回步骤(1)，增加载荷重新下一个循环运算。

层合板应力-应变关系表示如下：

其中A是刚度矩阵，B是耦合矩阵，D是弯曲刚度矩阵，ε、k是中面的应变和中性面的曲率向量，N、M是应力和弯矩向量。

进一步地，纤维增强复合材料简单层板通常是由弹性模量较高的纤维增强相和弹性模量较低基体相混合而成的，在载荷作用下，其中的应力分布更为复杂，并且纤维的取向通常沿着层合板厚度方向会发生改变。因此，相比传统的金属材料而言，复合材料层合板的失效模式更加多样化。层合板单层中的纤维虽然可以传递横向剪切载荷，但是其最主要的功能还是用来传递纵向的载荷。而基体树脂则起到了保持纤维位置固定和传递纤维之间载荷的重要作用，使载荷均匀分布在纤维上，并保证层合板上传递剪切载荷的连续性。层合板在承受载荷下，通常每一层简单层板的载荷是以面内载荷为主，所以通过研究简单载荷下的简单层板的失效模式，然后将每个简单层板的失效相互结合，分析整体层合板失效模式。值得注意的是，层合板的强度受到基体树脂的影响非常大。如果应力超过一定极限，将导致基体过早开裂损伤。

进一步地，本发明选取的简单层板(平面应力状态下)的强度失效理论为：

基体失效准则：

其中：X_C，X_T，X_S分别为基体极限压缩，拉伸，剪切应变。

纤维失效准则——哈希(Hashin)失效准则：

纤维拉伸失效：

纤维压缩失效：

其中：Y_T为纤维拉伸强度，Y_C为纤维压缩强度,S₁₂为纤维剪切强度。

界面失效准则：

< >代表数值为正时返回值，而为负的时候返回零。t_n为界面法向应力，t_t为界面周向剪切应力，tz为界面轴向剪切应力；Y_n为界面法线拉伸强度，Y_t为界面周向剪切强度，Yz为界面轴向剪切强度。

进一步地，应力分析与刚度预报。假设位移载荷为0.6mm，拉伸后的Mises应力如图3：

可以看出，该变刚度复合材料应力集中区域在正选曲线的顶点外侧，该处由于材料的纤维主方向与拉伸方向一致，体现出的刚度也是最高。其他区域由于曲线形状，导致纤维拉伸模量只能发挥部分作用。

进一步，分别输出纤维(图4)和树脂(图5)的应力状态。可以看出树脂的应力集中区域在正弦曲线斜率最大处，该处由于树脂受到多轴载荷作用，且要与周围碳纤维复合材料保持平衡状态，所以该处树脂最易受到破坏。

输出拉伸位移对应的支反力。支反力除以加载截面积可以得到等效拉伸应力，拉伸位移除以总长等于等效拉伸应变(表2)。

表2输出应力及应变关系

由此可得，该变刚度复合材料在考虑树脂间隙的情况下的等效拉伸模量为90.1GPa，与单向板的拉伸模量(根据混合定律，可以得到理论值为140.1GPa)。由于曲线走向和树脂间隙的作用，等效的复合材料刚度与单向板相比较低。

进一步地，根据多尺宏细观计算，计算各有限元单元对应的细观应力场和应变场，引入组分失效准则，对各子胞逐一判断失效，得出，首先发生界面脱粘失效。说明该处界面受到的界面载荷水平较高，界面发生脱粘，进一步引发树脂破坏。然后间隙树脂发生破坏，最终发生纤维断裂而不能继续承载。

纤维损伤起始于上下两边的曲率较大的纤维束部分，然后逐渐扩展到材料中间部分，最终裂纹弯曲贯穿复合材料，发生全部失效。进一步提取过程宏观应力-应变曲线可作成下图。

从图6可以看出，整个拉伸过程分为线形段、非线性段和承载失效段。取拉伸最大应力之，可以得到拉伸强度为337.1MPa，比单向板拉伸强度低，主要影响因素也是变刚度和树脂间隙。

进一步地，固化变形模拟思路，通过多层次模型建立复合材料固化变形预报方法，该方法考虑将固化变形预报模块分为三个模块，第一模块考虑结构形式及铺层对固化变形的影响；第二模块考虑温度场和固化收缩对固化变形的影响；第三模块考虑模具的影响，在这里分为两个方面，首先是模具自身变形对固化变形的影响，其次是模具与制件之间相互作用(及剪切层)对固化变形的影响。其中固化变形预报程序第一模块仅需铺层信息与单向板固化后模量和热膨胀系数数据，第二模块需要输入树脂或预浸料固化收缩率和升温固化过程数据。在本研究中，由于制备的自动铺丝复合材料为简单层合板，模具对之间的影响可以忽略不计，故不考虑模具因素。

进一步地，基复合材料的固化过程是一个热与化学反应相互耦合的过程。复合材料构件内部的温度分布由向复合材料传热的速率和固化反应生成热的速率决定，复合材料固化温度场的分析本质上是一个具有非线性内热源的热传导问题，其中内热源是树脂基体固化反应放出的热量。通过对该热传导问题的求解，可以得到复合材料在固化过程中任意时刻的任意位置的温度及固化度。由于固化阶段树脂基本不发生流动，忽略对流传热影响，则根据Fourier热传导定律和能量平衡原理建立该问题的数学模型：

式中：ρ_c、c、k_ii(i＝x,y,z)分别为复合材料的密度、比热和各向异性的热传导系数，内部热源项为树脂发生胶联反应放出的热量。

复合材料的性能参数可按照混合律来等效计算得到：

ρ_c＝fρ_f+(1-f)ρ_r

f为纤维体积分数，下r标表示树脂，f表示纤维，c表示复合材料。

内部热源项可表示为：

式中：ρ_r为树脂密度，H_u为固化反应完成时单位质量树脂放出的总热量，α为树脂固化度，t为时间。

进一步地，树脂的固化反应决定了热化学模型中内热源的大小，固化反应动力学模型是整个工艺模型研究的基础。综合文献使用的研究方法，主要有两种表征固化动力学模型的方法：微观水平(力学的)和宏观水平(唯象的)。其中唯象模型抓住了化学反应动力学的主要特征，忽略各组分之间相互作用的细节，也不需要知道树脂的组成或配方，是最被广泛使用的方法。差示扫描量热法(DSC)是最常用的确定唯象模型的试验方法。大多数唯象模型以方程(9)为基础：

其中，f(α)——固化机理函数，通常由试验数据确定；k——固化速率常数，用阿累尼乌斯方程表示。

其中A——频率因子；E——活化能；R——普适气体常数；T——温度。

根据树脂反应机理函数f(α)的形式，可以将现有的模型分成n级反应模型和自催化模型两类，方程(2-6)和(2-7)两种化学动力学模型分别属于n级反应模型和自催化反应模型。

其中：k₁和k₂可用阿累尼乌斯方程表示为

k₁＝A₁exp(-ΔE₁/RT)

k₂＝A₂exp(-ΔE₂/RT)

式中A₁,A₂,ΔE₁,ΔE₂为实验确定的常数。

S2、将正弦曲线走向模型应用到有限元模型中，控制自动铺丝复合材料的纤维束之间的角度，设定边界条件和载荷，模拟分析自动铺丝复合材料的固化变形。

具体地，建立(0/90/90/0)铺层的复合材料正交层合板。在层合板每层中间因自动铺丝工艺导致空隙存在，假设经热压固化后，空隙完全由树脂填充。图7示出了0°纤维和90°纤维复合材料层示意及网格划分

进一步地，采用对称边界条件，即分别沿X和Y方向对称。载荷形式为温度场，施加于整个层合板。

本算例计算所采用材料参数列见表3(假设纤维体积含量为60％)。

表3材料参数表

由图8可以看出，相较于纤维含量正常的区域，在层合板的树脂富余区域，层合板的残余应力更大，在其余地方的残余应力可忽略不计。其最大残余应力为2.8MPa。

层合板的整体固化变形云图如图9所示。

可以发现，在层合板的富树脂区域其固化变形量明显较大，在对称铺层的情况下，固化变形量较小。

进一步地，自动铺丝工艺因自身工艺特点，保证铺覆效果，也经常出现相邻丝束不平行的情况。本算例选取典型丝束角度差5°和10°，分别建立模型，预报固化变形，并对比不同角度差对自动铺丝变形量的影响。

第二实施例

本实施例提供一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法。其与第一实施例提供的自动铺丝复合材料固化变形预报方法的步骤基本相同，所不同之处在于，本实施例中，需要考虑相邻丝束角度差。

具体地，包括：

S1、建立自动铺丝复合材料的正弦曲线走向模型，采用正弦曲线走向模型模拟完整的自动铺丝复合材料；

S2、将正弦曲线走向模型应用到有限元模型中，控制相邻的自动铺丝复合材料的纤维束之间的角度差，设定边界条件和载荷，模拟分析自动铺丝复合材料的固化变形。

因自动铺丝工艺要求，在相邻纤维束走向经常存在一定角度差，也会形成近似三角形间隙。分别选取5°和10°夹角建模，如图10所示。

进一步地，图11和图12分别示出了5°和10°夹角建模残余应力分布云图。

由图可知，相邻丝束角度差为5°和10°的复合材料最大残余应力分别为0.96MPa和0.97MPa，且10°的复合材料残余应力集中区域更大，相较于5°的相同部位残余应力更强。由此可见，两束纤维之间偏差角度越大，残余应力越大，原因是10°的两个部分的热膨胀系数差异更大，导致固化过程中的复合材料和富树脂区域的相互作用更强。两种情况下的固化变形云图13和图14。

进一步地，相邻丝束角度为5°和10°的复合材料最大固化位移分别为5.3e-4mm和6.7e-4mm。纤维束偏角越大，其固化变形量越大。因此，实际自动铺丝工艺过程中，应尽可能避免两束纤维之间走向角度偏差过大，以免造成较大的工艺缺陷和材料性能的下降。

进一步地，根据有限元宏观计算结果，可以提取平均加载载荷随加载位移变化关系，分别计算出应变和应力，并根据初始线形段(未出现损伤)计算出表观模量

表4初始线形段应力应变结果

从表4可以看出，线性段应力随应变增加而线形增加，可以确定该正交铺层复合材料拉伸刚度为64.1GPa。

进一步地，根据多尺度宏细观计算，计算各有限元单元对应的细观应力场和应变场，引入组分失效准则，对各子胞逐一判断失效，提取过程宏观应力-应变曲线可作成下图。从图15可以看出，整个拉伸过程分为线形段、非线性段和承载失效段。取拉伸最大应力之，可以得到拉伸强度为1372MPa。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，包括：

建立自动铺丝复合材料的正弦曲线走向模型，采用所述正弦曲线走向模型模拟完整的所述自动铺丝复合材料；

将所述正弦曲线走向模型应用到有限元模型中，控制所述自动铺丝复合材料的纤维束之间的角度，设定边界条件和载荷，模拟分析所述自动铺丝复合材料的固化变形。

2.如权利要求1所述的自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，

建立所述正弦曲线走向模型是在三维几何平板上按照正弦曲线进行几何分割，并且在相邻的所述纤维束之间设定1mm宽的丝束间隙。

3.如权利要求2所述的自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，

建立所述有限元模型时，相邻的所述自动铺丝复合材料的所述纤维束之间设定为0°或者90°。

4.如权利要求3所述的自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，

所述边界条件采用对称边界条件。

5.如权利要求4所述的自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，

所述对称边界条件是分别沿X和Y方向对称。

6.如权利要求5所述的自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，

所述载荷的形式为温度场，且施加于整个所述三维几何平板上。

7.如权利要求1-6任一项所述的自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，

计算所述自动铺丝复合材料的材料参数时，设定所述自动铺丝复合材料的纤维体积含量为60％。

8.如权利要求1所述的自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，

模拟分析所述自动铺丝复合材料的固化变形包括对所述自动铺丝复合材料进行应力分析、刚度预报、损伤模拟以及强度预报。

9.一种自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，包括：

建立自动铺丝复合材料的正弦曲线走向模型，采用所述正弦曲线走向模型模拟完整的所述自动铺丝复合材料；

将所述正弦曲线走向模型应用到有限元模型中，控制相邻的所述自动铺丝复合材料的纤维束之间的角度差，设定边界条件和载荷，模拟分析所述自动铺丝复合材料的固化变形。

10.如权利要求9所述的自动铺丝复合材料固化变形预报方法，其特征在于，

建立所述有限元模型时，相邻的所述自动铺丝复合材料的纤维束之间设定位5-10°。