内埋FBG传感器复合材料加筋板的固化过程及准静态压缩监测

将布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器埋植在纤维增强树脂基复合材料加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板的固化过程与准静态压缩过程.结果表明,埋植FBG传感器的加筋板和未埋值FBG传感器的加筋板,其压缩破坏载荷基本相当.同时,内埋于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器可以有效监测复合材料加筋板固化过程的应变变化,固化后亦可用于实时监测结构中产生的温度和应变变化.在准静态压缩过程中,FBG传感器测得的应变值变化曲线与接触力-压头位移曲线变化趋势基本一致.FBG传感器可在不影响结构性能前提下,准确地响应复合材料加筋板在受载条件下出现的分层、开裂等损伤.     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

热残余应力对内埋光纤光栅传感器性能的影响

将布拉格光纤光栅(FBG)埋植于复合材料T型加筋板结构非干涉区—三角填充区作为应变传感器对复合材料加筋板在固化过程及冲击后压缩过程中的应变变化进行监测。对比了光纤刻栅区采用UV光固化树脂涂层保护和未保护的两种FBG传感器的波谱信号变化; 分析了复合材料在固化成型过程中产生的非轴对称热残余应力对FBG传感性能的影响。结果表明, 刻栅区采用聚合物涂层保护的FBG传感器的半峰宽(FWHM)在固化过程中未发生变化, 并且聚合物涂层可以有效地消除非轴对称热残余应力对光纤光栅反射波谱的影响。在冲击后压缩过程中, 采用聚合物涂层保护的FBG传感器测得的应变与贴于试样表面的应变片测得的应变数据一致性较好。本文对埋植于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器在复合材料固化过程及冲击后压缩过程中应变监测的有效性及可靠性进行了有益的探索。     

基于多学科耦合的复合材料帽型加筋板制造仿真

民机复合材料帽型壁板自动化制造包含自动铺丝(AFP)和热压罐固化过程,工艺复杂,故有必要对其进行理论研究和建模。分别建立粘弹性力学和多孔渗流耦合模型对铺丝过程进行仿真;建立复合材料热传导、化学交联反应、固化动力学、多孔介质渗流和材料性能时变性耦合模型对固化过程进行仿真。应用所建立的耦合模型对AS4/3051-6系列碳纤维/环氧树脂(CFRP)预浸料热压罐固化制备复合材料平板工艺进行仿真,并将其结果与实验结果对比,验证了此方法的有效性。随后,将此方法应用于大型复合材料帽型壁板制造过程仿真,仿真结果表明:(1) AFP头在经过帽型腔体时存在下陷,下陷量与硅橡胶气囊支撑性能相关,应用本文设计芯模下陷量仿真值为原先的38%,铺丝头对蒙皮的影响面积仿真值为原先的30%;(2) 帽型加筋板内部温度与工艺温度不同,其最高温度出现在保温过程结束后升温阶段初期,预测值为工艺温度的106%,且接合处内外层温度差别明显;(3) 帽型加筋壁板内部黏度随时间先减小后急剧上升,内层黏度较外层黏度变化速率更大;(4) 帽型加筋板蒙皮平均厚度预测值由成型前的4.5 mm减少至4 mm,测量厚度为3.88 mm,仿真误差为3.1%。      

成型工艺对复合材料帽型加筋板轴压特性的影响

对受到边界约束的不同工艺成型复合材料帽型加筋板进行轴压实验,研究二次胶接和共固化工艺对复合材料帽型加筋板压缩稳定性与承载能力的影响,同时分析蒙皮厚度及填充泡沫对加筋板轴压特性的影响。实验使用应变计监测加筋板局部失稳特性,并记录声响和断面观测以分析结构破坏机理。结果表明:蒙皮厚度显著影响结构压缩性能;聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)填充泡沫能小幅度提高结构失稳载荷,但对结构破坏载荷无显著影响;相比二次胶接加筋板,共固化加筋板失稳载荷和破坏载荷均降低约18%;共固化加筋板损伤出现较早,且破坏是由分层引起,而二次胶接加筋板主要是脱粘破坏。     

T形加筋板热压罐成型过程压力分布与树脂流动实验研究

针对飞行器复合材料常用加筋板结构,采用胶接共固化整体工艺成型T形加筋板。采用自行建立的压力测试方法测试了 T形加筋板在热压罐成型过程的压力分布,通过吸胶量、筋条厚度的检测,分析了树脂在筋条内的流动形式,研究了树脂流动的影响因素及影响规律。结果表明：筋条不同部位明显存在压力分布不均,在压力差作用下树脂发生明显的面内流动,易产生富脂、厚度不均等缺陷,导致筋条拐角较厚,约是突缘和腹板厚度的1.1~1.4倍,模具组合方案、曲率半径、填充料含量明显影响树脂面内流动和纤维密实程度。     

热压罐成型工艺所用框架式模具的变形分析

模具在使用过程中的变形会影响到复合材料制件的固化变形,为了控制复合材料制件的成型质量,就要了解框架式模具在热压罐固化成型工艺过程中的变形情况。建立了模具变形的数值模拟预报方法,将计算结果与实际模具测量结果进行对比,本文中所提供的有限元分析计算模型可对实际情况进行较为精确的模拟。考察了平板型框架式模具在整个固化工艺过程中的变形情况,数值计算结果表明：型面翘曲变形量与模具温度的分布有关,而与模具温度的大小无关;模具翘曲变形量的峰值出现在降温阶段的中间时刻,且该变形量能够保持一段时间;最大变形时刻整个模具型面与进入热压罐前相比中心位置的变形最大,周边位置的变形最小。     

采用薄膜传感器的树脂基复合材料热压罐工艺密实压力测试方法

针对树脂基复合材料层板热压罐成型工艺,采用薄膜压力传感器建立了密实压力在线测试系统,用于监测成型过程中复合材料所受密实压力的大小和分布。研究了密实压力测试系统在热压罐工艺条件下的适用性,在此基础上以该系统为测试手段,研究了热压罐工艺下L形碳纤维/环氧树脂复合材料层板的密实压力变化规律及模具形式的影响。结果表明: 所建立的密实压力测试系统具有较高的准确性和动态响应性,能够测试高温条件及曲面位置的密实压力,满足复合材料热压罐成型过程中密实压力的在线测试要求; L形复合材料层板成型过程中拐角区与平板区的密实压力随热压罐压力增大而增加,但增加速度和最终大小不同,阳模成型时拐角区密实压力高于平板区,阴模成型时拐角区密实压力小于平板区和外加压力,表明曲面结构与平板结构的密实行为具有差异性。     

整体化复合材料结构分阶段固化变形预报方法及其实验验证

通过测试分析了T800/环氧预浸料固化过程中性能参数的变化规律; 针对热压罐工艺条件下复合材料整体化结构分阶段成型的特点,提出了一种基于应力传递的分阶段固化变形的有限元模拟方法; 对于不同成型工艺的工型加筋壁板结构,将分阶段模拟得出的变形结果与测试结果进行了对比,并分析了成型工艺与变形量之间的关系。结果表明,本文中提出的模拟方法能够准确预报整体化结构的固化变形,变形与成型工艺密切相关,针对特定的结构与铺层,采用合理的工艺过程能够有效减小构件的固化变形。     

复合材料捻子条制造工艺及拉伸力学性能研究

当前航空复合材料加筋结构的捻子条大部分为人工制造,然后装入模具在热压罐中热压成型,存在尺寸精度低、尺寸均匀性差、成型工序多、效率低等缺点.由于树脂体系、树脂含量不同,对拉挤成型的捻子条填充量和预热温度有不同的工艺参数要求.通过对T700/QY9611双马来酰亚胺树脂体系的预浸料在不同材料填充量、材料预热温度工艺参数下,...     

Simulation of curing process of carbon/epoxy composite during autoclave degassing molding by considering phase changes of epoxy resin

Strain monitoring of a carbon/epoxy composite cross-ply laminate ([0₅/90₅]_s) during thermoforming was conducted by using fiber Bragg grating (FBG) sensors. The entire process was simulated by employing finite element analysis (FEA) by taking into consideration the phase changes of the epoxy resin. For the precise simulation of the curing process, a dielectrometry sensor was used to detect the epoxy-resin dissipation factor, which in turn was used to identify the curing point. To investigate the phase changes and consolidation of the composite laminate by employing FEA, modulus changes with temperature were measured by dynamic mechanical analysis (DMA), and the permeability was estimated by measuring the fiber volume fraction according to the curing temperature. As the epoxy resin changed from a liquid to solid phase, the strain generated along the carbon fibers dynamically changed, and the analysis results generally predicted the strain variation quite well. To apply this simulation technique to practical structures, a composite-aluminum hybrid wheel was analyzed and experimentally verified.     

基于内埋光纤Bragg光栅传感器的复合材料固化过程监测

为了全面了解复合材料的固化特性,在对碳纤维增强树脂基复合材料固化变形进行数值仿真分析的基础上,将自行设计的光纤Bragg光栅（FBG）传感器埋入复合材料中,实时在线监测复合材料固化过程中温度和应变的演变。预浸料铺层方式为[0₁₁/90₁₁],分别在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器,采用热模压方式固化成型复合材料层合板,并对成型后的层合板进行连续2次降温处理,实时记录固化过程中FBG传感器中心波长的变化。结果表明:在相同的温度条件下,复合材料在第1次降温初始阶段的压应变绝对值明显小于在第2次降温初始阶段的压应变绝对值,表明复合材料在第1次降温过程中仍在进行FBG传感器可检的“后固化”反应;此外,层合板变形的FBG传感器监测数据与有限元模拟结果吻合良好。因此,采用内埋FBG传感器的方法能够实时监测复合材料固化过程,为更全面地分析复合材料固化特性提供了一种可靠有效的方法。      

光纤模斑传感器应用于在线监控复合材料工艺过程

复合材料的固化有着复杂的内部过程, 传统的工艺条件难以保障产品的质量, 发展智能化的在线监控技术是个有效途径, 在线监控系统需要有先进的传感器。研制了一种新型光纤传感器, 提出通过测量光纤末端近场模斑谱反映光纤埋置周围树脂折射率的变化。给出了利用这种传感器进行复合材料固化监测的实验结果。发现这种光纤传感器的信号能反映固化凝胶点、固化结束点及树脂粘度的最低点, 又由于光纤与复合材料的兼容性好以及装置简单、廉价、可靠性高, 因此可以应用于复合材料固化过程的在线监控系统。     

Coupled visco-mechanical and diffusion void growth modelling during composite curing

Most critical processing step during long fiber reinforced epoxy matrix composite laminate manufacturing is the polymerization stage. If not optimized, it gives birth to defects in the bulk material, such as voids. These defects are considered as possible sources of damage in the composite parts. The aim of this work is to model the evolution of void growth in thermoset composite laminates after ply collation (autoclave processes) or resin impregnation (RTM, LCM process). A coupled mechanical and diffusion model is presented to better predict the final void size at the end of polymerization. Amongst the parameter investigated, onset of pressure application and diffusive species concentration where found to have a major effect on void size evolution during curing process.     

复合材料结构固化温度场精化模拟

以往的复合材料固化过程模拟,大多只是在简单外部条件下,或者针对厚尺寸复合材料构件进行的厚度方向的温度场模拟,而与实际复合材料的固化过程有一定的偏差。本文在考虑辅助材料、模具以及罐内强迫对流换热现象的情况下,建立了复合材料热压罐工艺固化温度场的精化模拟方法。在此基础上,针对常用航空复合材料结构以及材料体系,进行了相应的固化温度场模拟,并对结果进行了分析。     

模具对复合材料层合板固化成型影响的数值分析

针对复合材料层合结构与模具在固化工艺中的相互作用进行研究以提高制备精度。考虑摩擦力和粘结力在模具和制件接触界面间的共同作用,改进一种复合材料层合结构固化应变及应力情况的数值计算模型并与已有实验结果进行比较。引入弹簧单元建立固化工艺有限元模型,并对解析模型进行验证。最后通过解析模型对固化变形的影响因素进行探究。结果表明:所建立的解析预报模型具有较高的计算精度及一定的实用性;考虑模具作用的有限元模型可以更好地对层合板的变形趋势进行预报和分析。通过解析模型探究发现层合板长度、模具材料和表面情况均会对固化过程中的层间滑移产生影响,对工艺条件制定具有更好的指导意义。      

Numerical and Experimental Study of the Bleeder Flow in Autoclave Process

In the autoclave process, resin flow is a primary mechanics for the removing of excess resin and voids entrapped in the laminate and obtaining a uniform and void free composite part. A numerical method was developed to simulate the resin flow in the laminate and the bleeder, and the effects of ‘bleeder flow’ on the resin flow and fiber compaction were conducted. At the same time, fiber distribution in the cured laminates was investigated by both experiments and simulations for the CF/Epoxy and CF/BMI composites. The data of the experiments and simulations demonstrated that fibers consolidated and reconsolidated in the laminate and it was impacted by the viscosity and gel time of the resin system. Compared to the post study in which only resin flow in the laminate are considered, these results will deepen the understanding of the consolidation process, resin pressure variation and void control during the autoclave process, which is valuable for the study of the performance of composite parts, provided that fiber distribution does affect some properties of composite material.     

Thermal Response and Stability Characteristics of Bistable Composite Laminates by Considering Temperature Dependent Material Properties and Resin Layers

In this study, the stability characteristics and thermal response of a bistable composite plate with different asymmetric composition were considered. The non-linear finite element method (FEM) was utilized to determine the response of the laminate. Attention was focused on the temperature dependency of laminate mechanical properties, especially on the thermal expansion coefficients of the composite graphite-epoxy plate. Also the effect of including the resin layers on the stability characteristics of the laminate was investigated. The effect of the temperature on the laminate cured configurations in the range of 25°C to 180°C and ?60°C to 40°C was examined. The results indicate that the coefficient of thermal expansions has a major effect on the cured shapes. Next, optical microscopy was used to characterize the laminate composition and for the first time the effect of including the resin layers on the actuation loads that causes snapping behavior between two stable shapes was studied. The results obtained from the finite element simulations were compared with experimental results and a good correlation was obtained. Finally, the stability characteristics of a tapered composite panel were investigated for using in a sample winglet as a candidate application of bistable structures.     

非热压罐工艺模具对复合材料加筋壁板固化变形影响的有限元分析

通过真空袋成型工艺,利用CYCOM 5320-1材料体系制备了碳纤维/树脂基复合材料T型加筋壁板,并应用激光跟踪仪测量了其固化变形量。针对考虑模具影响和不考虑模具影响两种情况,利用有限元方法模拟了该加筋壁板固化过程。结果表明：数值模拟固化变形趋势和实验结果趋势相同,在宽度方向上吻合较好。考虑模具因素比未考虑模具因素的模拟结果更接近真实变形值,这是由于复合材料在达到树脂凝胶点之前,模具受热挤压模腔,导致构件产生永久性变形造成的。     

基于压电传感器的树脂基复合材料固化过程监测

复合材料固化成型工艺是影响树脂基复合材料结构性能的关键之一,因此需要针对其固化过程进行有效在线监测。本文基于压电传感器提出一种超声导波技术和机电阻抗技术相结合的树脂基复合材料固化过程监测方法,研究了超声导波能量与固化时间的关系及机电阻抗共振峰随固化时间的变化规律。研究表明,固化过程中树脂基复合材料结构的超声导波信号幅值和机电阻抗信号共振峰频率均出现先减小后增大并逐渐平稳的趋势,可以体现树脂基复合材料固化过程中的一系列变化。以监测单向碳纤维(T300)/热固性环氧树脂预浸料固化为例,验证压电传感器对复合材料固化的监测方法。T300/热固性环氧树脂复合材料在真空袋压、固化温度为120℃条件下,20 min为凝胶时间点,65 min为固化完成时间点。本研究基于压电固化过程在线监测方法为树脂基复合材料成型工艺的设计和优化提供了基础数据和技术支撑。