熱固性復合材料固化過程中溫度場的三維有限元分析

       根據熱傳導和固化動力學理論，采用三維有限元方法，對正交各向異性復合材料層合板固化過程的溫度和固化度歷程及其變化規律進行數值模擬研究。在有限元分析中節點自由度為溫度和固化度，考慮了兩者之間的耦合作用。計算結果表明：厚度越大，溫度峰值越高，中心點開始固化越晚；不同纖維體積含量層合板在固化初期是同步的；中心點溫度超過保溫平臺(85 0C)后，隨著環境溫度繼續升高，纖維體積含量越低，中心點溫度峰值越大，出現時間越早。

       復合材料層合板固化過程中，由于外部環境的變化和其自身固化反應產生的化學放熱，使層合板內部產生復雜的溫度梯度，這種不均勻溫度場是引起殘余應力和殘余變形、導致復合材料層合板早期破壞的根本原因。因此，研究層合板在固化過程中的溫度和固化度分布，對改進工藝條件、提高產品質量具有重要意義。

       近年來，采用數值模擬研究復合材料層合板固化過程取得了一定進展。Loos等首次采用模塊化方法研究層合板固化過程，提出了描述熱傳導、樹脂流動和殘余應力的數學模型，并據此針對A S4/ 3501-6單向層合板建立了一維數值模擬程序。Twardowski[3]的研究指出了厚板在固化過程中所特有的一系列問題：溫度梯度會導致粘性和固化度的各向異性：初始固化度對固化過程影響甚微：溫度峰值首先出現在層板表面附近，然后逐漸向中央移動達到最大值等。Bo getti'41采用二維有限元方法數值模擬任意截面形狀和邊界條件層合板的固化過程，研究表明：溫度和固化度梯度和構件幾何形狀、熱傳導各向異性、固化動力學及熱壓罐溫度歷程等因素有關。隨著復合材料整體成型和共固化技術的發展，采用三維有限元方法模擬復雜形狀結構和邊界條件的固化過程成為該領域的發展方向之一。本文中建立了正交各向異性材料的三維熱傳導和固化動力學有限元方程，分析和討論了纖維體積含量和厚度對層合板固化過程中溫度和固化度的影響。

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