L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的模拟方法

摘要

本发明公开了一种利用计算机模拟树脂基复合材料L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的模拟方法，该方法包括有制件构形与网格剖分单元、成型工艺参数设置单元、材料特性数据库单元、树脂基复合材料热压成型模拟单元、制件质量预测单元。通过本发明方法能够模拟出L形层板不同位置厚度变化规律，以及层板的剪切变形，获得成型后复合材料层板内部纤维分布和不同位置平均纤维体积分数V_f。指导L形层板工艺参数的合理制定，为树脂基复合材料L形层板热压成型工业化生产提供数控信息。

主权项

1.一种利用计算机模拟树脂基复合材料L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的模拟方法，该模拟方法包括有材料特性数据库单元(3)，其特征在于还包括有制件构形与网格剖分单元(1)、成型工艺参数设置单元(2)、树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)、制件质量预测单元(5)；所述制件质量预测单元(5)，在制件构形和初始设置参量F1的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元(2)中的工艺参量F2和所述材料特性数据库单元(3)中的材料参量F3，并将初始设置参量F1、工艺参量F2和材料参量F3在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中处理，获得决定层板质量的参量，并存储在制件质量预测单元(5)中；L形层板在热压成型中树脂流动与层板变形的模拟方法，具有如下步骤：第一步：在所述制件构形与网格剖分单元(1)中提取制件构形和初始设置参量F1；第二步：在所述成型工艺参数设置单元(2)中提取工艺参量F2；第三步：在所述材料特性数据库单元(3)中提取材料参量F3；第四步：在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中获得树脂流动与层板变形关系式W1；所述树脂流动与层板变形关系式$W_1\Rightarrow \left\{\begin{array}{c}\frac{\partial {\sigma }_{\mathrm{xx}}}{\partial x}+\frac{\partial {\tau }_{\mathrm{xz}}}{\partial z}+\frac{\partial P_r}{\partial x}=0\\ \frac{\partial {\tau }_{\mathrm{xz}}}{\partial x}+\frac{\partial {\sigma }_{\mathrm{zz}}}{\partial z}+\frac{\partial P_r}{\partial z}=0\\ \frac{\partial {ϵ}_v}{\partial t}+[\frac{\partial }{\partial x}\left(\frac{S_{\mathrm{xx}}}{\mu }\frac{\partial P_r}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left(\frac{S_{\mathrm{zz}}}{\mu }\frac{\partial P_r}{\partial z}\right)]=0\end{array}\right.,$式中，x表示在局部坐标系中沿铺层0°方向，z表示在局部坐标系中垂直厚度方向，σxx表示局部坐标系下x方向应力，σzz表示局部坐标系下z方向应力，τxz表示局部坐标系下剪切应力，Pr 表示树脂承载压力，εv表示体应变，Sxx表示局部坐标系下x方向渗透率，Szz表示局部坐标系下z方向渗透率，μ表示树脂粘度，t表示模拟时间；xz表示建立在构形上的局部坐标系，坐标轴的具体方向随构形变化，在横向等厚层板段与全局坐标系重合，在纵向等厚层板段，局部坐标轴方向与全局坐标系坐标轴顺时针旋转90°方向相同；x轴表示在局部坐标系中沿铺层0°方向，z表示在局部坐标系中垂直层板厚度方向；第一步中的制件构形和初始设置参量F1中的层板初始厚度$h_0=\frac{{\mathrm{Na}}_f}{{\rho }_f{V}_0},$式中，N表示预浸料铺层层数，af表示预浸料纤维面密度，ρf表示纤维的体密度，V0 表示预浸料初始纤维体积分数；第四步中树脂流动与层板变形关系式W1中应力与应变满足关系式W2；所述应力与应变满足关系式$W_2\Rightarrow \left\{\begin{array}{c}{\sigma }_{\mathrm{xx}}=V_f{\mathrm{Eϵ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\sigma }_{\mathrm{zz}}=\frac{3\mathrm{\pi E}}{{\beta }^4}·\frac{\sqrt{1+{ϵ}_{\mathrm{zz}}}-1}{\sqrt{1+{ϵ}_{\mathrm{zz}}}{(\sqrt{V_a/V_0({ϵ}_{\mathrm{zz}}+1)}-1)}^4}\\ {\tau }_{\mathrm{xz}}=G_{\mathrm{xz}}{\gamma }_{\mathrm{xz}}\end{array},\right.$式中，σxx表示局部坐标系下x方向应力，τxz表示局部坐标系下剪切应力，εxx表示局部坐标系下x方向应变，σzz表示局部坐标系下z方向应力，εzz表示局部坐标系下z方向应变，γxz表示局部坐标系下剪切应变，Gxz表示材料剪切模量，E表示纤维的弯曲模量，β表示纤维层压缩特性系数，V0表示预浸料初始纤维体积分数，Vf表示纤维体积分数，Va表示密实堆积纤维体积分数；第四步中树脂流动与层板变形关系式W1中应变与位移满足关系式W3；所述应变与位移满足关系式$W_3\Rightarrow \left\{\begin{array}{c}{ϵ}_{\mathrm{xx}}=\frac{\partial u}{\partial x}\\ {ϵ}_{\mathrm{zz}}=\frac{\partial v}{\partial z}\\ {\gamma }_{\mathrm{xz}}=\frac{\partial u}{\partial z}+\frac{\partial v}{\partial z}\end{array}\right.,$式中，εxx表示局部坐标系下x方向应变，εzz表示局部坐标系下z方向应变，γxz表示局部坐标系下剪切应变，u表示局部坐标系下x方向位移，v表示局部坐标系下z方向位移。