樹脂基復(fù)合材料殘余應(yīng)力與固化變形機(jī)理及控制研究進(jìn)展

Summary：復(fù)合材料的成型過程涉及樹脂的固化過程，固化后復(fù)合材料制件會(huì)產(chǎn)生不同形式的變形，導(dǎo)致其最終形狀和尺寸不同于成型模具。造成制件變形的根本原因是制造工藝引起的殘余應(yīng)力。復(fù)合材料制件內(nèi)部非均勻分布的殘余應(yīng)力可以造成制件變形、基體開裂，甚至分層。通常，復(fù)合材料制件的變形包括曲面的回彈和平面的翹曲。復(fù)合材料制件的固化變形會(huì)影響其后期的裝配。超出公差的復(fù)合材料零件會(huì)導(dǎo)致組件的裝配失敗，嚴(yán)重影響零件制造成本、生產(chǎn)效率和裝配進(jìn)程;對處于公差范圍內(nèi)的復(fù)合材料零件，在裝配后也可能引入裝配應(yīng)力，影響整體產(chǎn)品的使用壽命。因此，固化變形是復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。Keys：復(fù)合材料；殘余應(yīng)力；固化變形機(jī)理；研究進(jìn)展引言在當(dāng)前風(fēng)云變幻的國際形勢下，我國船舶、航空航天等領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的需求越來越高，對于我國復(fù)合材料的精確化制造技術(shù)也提出了更為嚴(yán)格的要求。為精確控制復(fù)合材料零件的外形尺寸，必須深入理解引起復(fù)合材料固化變形的主要原因以及控制方法。由于復(fù)合材料成型工藝的特性，制造過程中的殘余應(yīng)力是無法避免的?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中已有很多關(guān)于殘余應(yīng)力和固化變形的研究，這些研究可以分為兩類:①成型工藝引發(fā)的殘余應(yīng)力和固化變形的機(jī)理研究;②通過數(shù)值計(jì)算、模擬仿真等手段進(jìn)行固化變形的預(yù)測。一、固化參數(shù)的優(yōu)化除傳統(tǒng)的試錯(cuò)法外，控制固化變形的方法還有修改鋪層和優(yōu)化固化工藝參數(shù)等。通過優(yōu)化固化過程中的工藝參數(shù)可以在一定程度上緩解殘余應(yīng)力，如通過改變保溫時(shí)間、固化時(shí)間、升降溫速率等方式改善復(fù)合材料零件的固化變形。通過改變石墨/雙馬樹脂基復(fù)合材料的成型工藝條件來控制和減少固化工藝引起的殘余應(yīng)力，針對不對稱鋪層的層合板，分別研究了保壓溫度、保壓時(shí)間、冷卻速率、冷卻壓力和后固化對殘余應(yīng)力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過在較低溫度下固化更長的時(shí)間或在三步固化循環(huán)中利用中間的低溫保壓，可以在保持或增強(qiáng)橫向力學(xué)性能的同時(shí)，將殘余應(yīng)力降低25%～30%。根據(jù)測試數(shù)據(jù)對3501-6環(huán)氧樹脂的復(fù)雜熱流變行為進(jìn)行了建模，并使用有限元方法計(jì)算AS4/3501-6層壓板在冷卻過程中的層間應(yīng)力松弛行為，結(jié)果表明3501-6環(huán)氧樹脂的松弛行為取決于其固化度，并且發(fā)現(xiàn)以適度(2.5C/min)的冷卻速率可以顯著降低殘余應(yīng)力。通過改變最終固化的溫度曲線以平衡基體的固化收縮和熱膨脹，同時(shí)為后期的應(yīng)力松弛提供了充足的時(shí)間。通過比較固化過程中的峰值應(yīng)變數(shù)據(jù)，改進(jìn)的固化周期可減少由固化收縮引起的殘余應(yīng)變。通過數(shù)值模擬的方法確定了最佳的固化溫度曲線，從而使殘余應(yīng)力值降到最小。二、復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力評估方法除了通過試驗(yàn)方法來獲得復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力外，也可利用解析方法及有限元仿真方法對復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行預(yù)測。應(yīng)用有效溫差和線膨脹系數(shù)對鋁合金-復(fù)合材料層合板件在固化成型過程中形成的殘余應(yīng)力場進(jìn)行理論預(yù)測的方法，并通過將光纖布拉格光柵埋入待測量的復(fù)合材料-金屬層合構(gòu)件中的方法測量其內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并最終證明了理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果一致。通過有限元模型進(jìn)行復(fù)合材料試驗(yàn)件固化成型殘余應(yīng)力及其變形的有限元仿真模擬，并對比他人研究成果證明了仿真模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性?；诎鍤だ碚摵陀邢拊M計(jì)算的等效彎曲剛度，建立了薄壁零件加工變形半解析預(yù)測模型，繼而研究了初始?xì)堄鄳?yīng)力和等效彎曲剛度對制件加工變形的影響。傳統(tǒng)的切割槽法雖然可用于評估復(fù)合材料固化殘余應(yīng)力，但其存在諸多不足，主要表現(xiàn)為：（1）實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變測量結(jié)果穩(wěn)定性差，導(dǎo)致應(yīng)力評估結(jié)果離散性大；（2）實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜，受環(huán)境影響大；（3）由應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)需借助有限元仿真，難度大且計(jì)算繁瑣。為簡化殘余應(yīng)力的測量過程并提高測量結(jié)果的穩(wěn)定性，本文提出一種半解析的方法來計(jì)算金屬-復(fù)合材料層合板固化殘余應(yīng)力，并與傳統(tǒng)切割槽法對比驗(yàn)證所提方法的可行性。三、宏細(xì)觀剪切變形特性目前大部分研究集中于開展不同結(jié)構(gòu)織物剪切變形實(shí)驗(yàn)，研究不同結(jié)構(gòu)織物的剪切力曲線、剪切鎖止角等宏觀剪切變形特性。其中，織物標(biāo)準(zhǔn)化剪切力-剪切角響應(yīng)可以作為織物復(fù)雜形狀成型模擬的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，剪切鎖止角是判定織物褶皺生成的關(guān)鍵因素之一。由于織物具有多尺度特性（宏觀織物、細(xì)觀纖維束、微觀纖維絲），其宏觀剪切響應(yīng)由細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生，故有部分學(xué)者分析了織物剪切變形過程中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，進(jìn)一步揭示織物剪切變形機(jī)制。例如，根據(jù)剪切力-剪切角曲線，平紋機(jī)織織物剪切變形可分為三個(gè)階段，首先是垂直細(xì)觀纖維束間相互旋轉(zhuǎn)，纖維束間間隙消失，然后是平行纖維束間的側(cè)向擠壓，纖維束內(nèi)間隙減少，此時(shí)剪切力較小。最后，纖維束內(nèi)間隙消失，平行纖維束間進(jìn)一步擠壓，此時(shí)剪切力急劇上升，極易發(fā)生褶皺。對于±45°雙軸向無屈曲織物，因其細(xì)觀縫合線的存在，其剪切變形可以分為正剪切和負(fù)剪切變形。正剪切變形中縫合線受拉，阻礙剪切變形，所需剪切力較大，極易產(chǎn)生宏觀面外褶皺。負(fù)剪切變形中縫合線受壓，剪切力較小。對于單軸向無屈曲織物，剪切變形中一根縫合線受拉而另一縫合線受壓，且應(yīng)變演化呈現(xiàn)出三個(gè)階段，與宏觀剪切力-剪切角曲線階段恰好對應(yīng)。四、復(fù)合材料制件固化變形的控制許多研究人員致力于使用有限元方法(FEM)預(yù)測和模擬固化變形。經(jīng)過多年發(fā)展，預(yù)測性研究已從僅涉及固化過程的熱收縮效應(yīng)和彈性材料模型的簡化模型演變?yōu)榭赡馨S多導(dǎo)致變形的機(jī)理，并具有更高級的材料模型和更具體的分析方法。如前文所述，固化變形的仿真模擬方法已經(jīng)有了較為全面的發(fā)展，但如何合理利用仿真結(jié)果并指導(dǎo)工程實(shí)際是現(xiàn)階段工程師、科研工作者面臨的主要問題。一方面，精細(xì)仿真模型的門檻較高，不利于仿真方法在復(fù)合材料制造工程師間推廣。另一方面，固化變形的仿真涉及基體、增強(qiáng)材料、模具等材料的力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)參數(shù)，缺乏較為完善的材料數(shù)據(jù)庫。五、復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)熱壓罐固化過程碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和較低的密度，在各種輕量化的應(yīng)用中有較大的需求量，尤其是在航空航天和汽車行業(yè)。在熱壓罐固化成形過程中，由于纖維和樹脂的熱不匹配、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與模具的熱不匹配、熱壓罐模具溫度場的不均勻等影響，使得復(fù)合材料在熱壓罐成形脫模后會(huì)發(fā)生翹曲和回彈變形。由于傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有限元方法的發(fā)展為預(yù)測復(fù)合材料固化變形和殘余應(yīng)力、優(yōu)化工藝參數(shù)提供了更有效的手段。復(fù)合材料順風(fēng)側(cè)的溫度要比背風(fēng)側(cè)的溫度高，順風(fēng)側(cè)的固化程度比背風(fēng)側(cè)高，隨著風(fēng)速的增大，模具型面的不均勻性減小，復(fù)合材料中心點(diǎn)的固化過程加快，沿厚度方向分布的殘余應(yīng)力將減小；隨著復(fù)合材料一定范圍內(nèi)的厚度增大，復(fù)合材料的中心點(diǎn)溫度以及沿厚度方向分布的殘余應(yīng)力都有所減小。結(jié)束語復(fù)合材料成型模具的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與制造:盡管殘余應(yīng)力及固化變形的模擬仿真已經(jīng)有了豐碩的研究成果，但模擬仿真的成果對于實(shí)際生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化率并不高。由于復(fù)合材料制件的固化變形與模具的補(bǔ)償量并非線性關(guān)系，如何利用仿真工具指導(dǎo)其成型模具的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)及精確制造，是未來需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。Reference[1]張益豪,嚴(yán)毅,王振軍,蔡長春,徐志鋒,余歡.CF/Al復(fù)合材料制備熱變形行為與熱殘余應(yīng)力分布[J].稀有金屬材料與工程,2022,51(2):661-668.［2］王乾，關(guān)志東，王仁宇，等．結(jié)構(gòu)參數(shù)對復(fù)合材料V型構(gòu)件固化變形影響試驗(yàn)及解析分析［J］．復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017，34(12):2722-2733．［3］岳廣全，張嘉振，張博明．模具對復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的影響分析［J］．復(fù)合