树脂基复合材料制造过程温度变化模拟研究
陈祥宝,　邢丽英,　周正刚
(北京航空材料研究院,北京100095)
摘要:本文在树脂基复合材料树脂基体固化动力学研究的基础上,将固化反应热通过固化反应动力学方程引入热 传导方程,模拟实际工艺条件建立了复合材料固化过程的温度分布模型,将模拟计算值和实际测量值进行了比较, 发现所建立的复合材料制造过程温度分布模拟技术可以准确模拟环氧和双马复合材料在制造过程中的温度变化。
关键词:复合材料制造;温度分布;模拟
复合材料制造过程中的温度历程是影响复合材 料构件质量和性能的重要因素。树脂基体的固化特 性、对纤维的浸润性、复合材料内部的残余应力、缺 陷和性能等都与温度历程密不可分,因此制造过程 中的温度场控制是极其重要的。复合材料制造过程 中内部温度分布主要取决于树脂基体的固化反应放 热和材料的热传导特性。在复合材料固化过程中, 复合材料传热的速率和固化反应热产生的速率决定 了材料内部的温度分布,进而影响复合材料的性能 和质量。
本文在复合材料树脂基体固化动力学研究的基 础上,将固化反应热通过固化反应动力学方程引入 热传导方程,模拟实际工艺条件建立了复合材料固 化过程的温度分布模型并进行了验证,实现了复合 材料制造过程温度变化的模拟分析
。 1　复合材料制造过程温度变化模型的 建立
复合材料制造过程的外部加热历程和树脂基体 的固化反应放热决定了复合材料制造过程的温度变 化。采用三维热传导模型,通过固化动力学方程将 固化反应热引入到模型中热源项,建立的复合材料 制造过程的温度分布模型,可实现复合材料制造过 程中温度变化的描述。
复合材料制造过程三维热传导方程:

基本假设:
(a)任一时刻复合材料内部同一点树脂和纤维 的温度相同;
(b)树脂热容与固化度为分段线性关系; 
(c)忽略树脂流动引起的热传递。
初始条件:
(a)初始固化度均匀分布,固化度α≈0, (α= 10-4);
(b)初始温度均匀分布。
边界条件:
(a)预浸料上下表面温度与罐温相等,四周与 罐温相同;
(b)罐温历程为各材料体系的固化温度历程。
在复合材料实际制造过程中,复合材料构件上、 下表面是不对称的,下面是金属平台或模具工装,上 面包括铝合金模板、透气毡等,图1是复合材料组装 示意图。因此在建立复合材料制造过程温度分布模 型时应该考虑复合材料层板和所有材料(铝平台、 铝模板、透气毡、真空袋和有孔膜)。
2　复合材料制造过程温度变化的模拟 计算和验证
为了计算复合材料制造过程的温度变化,首先 测定了复合材料和相关辅助材料的密度、热容、导热 系数等,相关测试结果见表1和表2。


表3是不同复合材料的固化反应动力学方程, 有关固化动力学方程建立的详细过程见参考文献 [1]。

考虑到对称性,复合材料制造过程温度分布计 算以试样的中心为坐标原点建立有限元模型,温度 分布有限元计算坐标系如图2所示。真空袋外表面 与铝平台的下表面定义为对流换热边界,施加按工 艺条件变化的环境温度(热空气的温度),采用四阶 龙格-库塔法进行温度场分布模拟计算。

采用有限元逐次迭代来求解温度分布,固化度 初始值取10-4,并将每个时间增量起始时刻的固化 度作为该时间增量中的平均固化度。通过ABAQUS 用户子程序HETVAL实现固化度求解程序与 ABAQUS计算的数据交换。图3为有限元逐次迭代 解法的框图。

为了验证复合材料制造过程温度分布模型对不 同复合材料体系的适宜性和正确性,选择了常用的 中温固化3234/T300B环氧复合材料、高温固化 5428/T700SC双马复合材料,计算分析了层板 (200mm×200mm, [0]160)制造过程的温度分布情 况,并和实际测量结果进行了比较。
图4是3234/T300B复合材料层板不同位置温 度变化的模拟计算和实际测量结果。从图中可以看 出,3234/T300B复合材料在制造过程出现了明显的 温度峰,而且复合材料内部和表面存在明显的温度 差。模拟计算得到的温度峰出现时间比实测值滞后 不到100s,峰值温度比实测值低8~13℃,模拟计算 值与实测值基本一致,表明采用三维有限元模拟,并 且考虑辅料等的影响,模拟计算结果能够准确反映 固化过程中复合材料内部温度的变化情况。
图5是5428/T700SC复合材料不同位置温度变 化的模拟计算和实际测量结果。从图中同样可以看 到,模拟计算得到的复合材料内部不同位置的温度 变化和实际测量得到的温度变化十分接近。除此之 外, 5428/T700SC复合材料在固化过程内部没有出 现温度峰,这是因为5428复合材料体系在固化过程 中的反应放热平缓,因而在制造过程中没有出现温 度峰,复合材料内部温差也很小,这对于制造大厚度 复合材料是非常有用的。

3　结论
(1)通过全面考虑复合材料制造过程固化反应 热、辅助材料等的影响,采用有限元逐次迭代计算方 法,建立的复合材料制造过程温度分布模拟计算技 术,可以准确模拟环氧和双马复合材料在制造过程 中的温度变化。
(2)3234/T300B复合材料体系的固化反应放 热较快,在复合材料制造过程中出现明显的温度峰, 复合材料内部温差较大。
(3)5428/T700SC复合材料在制造过程内部没 有出现温度峰,内外温差较小,这是因为5428复合 材料体系固化反应放热缓和,这样的复合材料体系 适宜制造大厚度复合材料。
参考文献:
[1]陈祥宝.先进树脂基复合材料制造模拟与优化技术 [M].北京:化学工业出版社, 2006.
[2] KENNY JM. Application ofmodeling to 
the control and optimization ofcomposites 
processing[J]. Composite Struc ture, 1994, 27: 129-139.
[3] KEVIN Lee, PAUL O, BINEY,et al. 
Curing optimization of IM-7/5250-4 prepregs under
field repair condition[A]. 46thInternational SAMPE 
Symposium 2001 [C]. 2001: 2217-2228.
[4] SHIN D D, HAHN H T. A consistent cure
kinetic model for as4/3502 graphite/epoxy
[A]. Composites Part A, 2000, 31: 991-999.
[5] HANS Rose. In-situ monitoring of 
epoxy resin using fiber optic spectroscopy 
(FORS)[A]. 43rdInternationalSAMPE Symposium[C]. 
1998: 277-286.
[6] JOSHI S C, LIU X L, LAM Y C. 
A numerical approach to themodeling 
of polymer curing in fibre-reinforced compos- ites[J].
Composites Science and Technology, 1999, 59: 1003-1013.