摘 要

复合材料由于其轻质、高强的优良性能，在航空、航天、舰船、汽车等领域应用越来越广泛。 然而，树脂基复合材料固化过程中产生的残余应力导致复合材料结构件变形，影响了复合材料制品的尺寸精度，限制其在高精密部件上的应用。因此，经过深入研究和分析复合材料制品变形产生的根本原因，进行精确的工艺模拟、残余应力的分析对模具尺寸进行补偿设计是提高复合材料制品尺寸精度的关键。

本文主要研究了具有一定角度的碳纤维增强复合材料的固化收缩变形量，并运用ANSYS有限元分析软件对该模型进行热结构耦合分析，模拟不同的铺层方式对复合材料构件固化变形的影响。结果表明：采用30℃常温固化体系的复合材料层合板的变形量很小；而160℃中温固化体系的复合材料层合板的变形量较大。模具角度为91°46’，方格布中温固化体系的回弹角为4°32’48’，变形量为4.95%，单向布中温固化体系的0°和90°铺层的回弹角分别为5°20’48’和 7°13’36’，变形量分别为5.83%和7.88%。由此可见，复合材料构件在固化过程中有较大的温差时，会发生较大的变形；并且在变形的方向上的模量越大，产生的变形量越小。经ANSYS有限元模拟软件模拟后，发现采用对称铺层时，复合材料构件的变形量会比非对称铺层时小；而随厚度增加，复合材料构件的变形量会增大。

关键词：碳纤维复合材料，固化变形，有限元分析，尺寸补偿

Abstract

Because of  composite materials has excellent properties of light weight, high strength，in aviation, aerospace, ship, automobile and other fields is finding wider and wider application. However, occurring in the process of resin matrix composite curing residual stresses lead to deformation of composite material structure, affect the size precision of the composite material products, to limit its application in high precision components. So, after in-depth research and analysis of the fundamental cause of deformation of composite material products, accurately process simulation, residual stress analysis was carried out on the mold size compensation design is the key to increase dimension accuracy of composite materials products.

This paper mainly studies the carbon fiber reinforced composite material has a certain Angle of curing shrinkage deformation, the model and using finite element analysis software ANSYS thermal structure coupling analysis, simulation of the different layer effect on curing deformation of composite material structure. The results show that: Use room temperature curing system of composite laminated plate deformation is small, And roving cloth middle temperature curing system of springback Angle of 4°32’48’, unidirection medium temperature curing system of 0 ° and 90 ° layer of springback Angle respectively 5°20’48’ and 7°13’36’ . After the finite element simulation software ANSYS simulation, found using symmetric layer, the deformation of composite components than the asymmetric layer.

Keywords: carbon fibre composite，curing deformation， finite element analysis，dimension compensation

目录

第１章　绪论 1

1.1 概述 1

1.1.1复合材料的发展及应用 1

1.1.2 复合材料的特点 1

1.2研究的目的及意义 2

1.3国内外研究现状 2

1.4基本理论分析 3

1.5本文研究内容 4

第２章　复合材料固化变形数值模拟的理论基础 5

2.1引言 5

2.2各项异性弹性力学理论基础 5

2.2.1平衡方程 5

2.2.2几何方程 5

2.2.3本构方程 6

第３章　实验研究 9

3.1实验方案 9

3.2实验研究 9

3.2.1实验材料 9

3.2.2实验仪器 10

3.2.3固化制度的确定 11

3.2.4实验过程 12

3.3实验结果分析 13

3.3.1热膨胀系数对复合材料构件角度变形的影响 15

3.3.2残余应力对复合材料构件角度变化量的影响 17

3.3.3碳纤维铺层方向对复合材料构件角度变化量的影响 17

第４章　ANSYS热结构耦合分析 19

4.1前言 19

4.2热结构耦合分析 19

4.2.1复合材料构件有限元模型建立及网格划分 19

4.2.2施加边界条件及载荷 20

4.2.3复合材料构件成型温度场分布有限元模拟结果 21

4.2.4耦合模拟分析 22

4.3尺寸补偿设计 25

4.3.1铺层方式对尺寸变形的影响 25

4.3.2复合材料的厚度对尺寸的影响 28

第5章 结论 30

参考文献 31

致谢 33

第１章　绪论

1.1 概述

1.1.1复合材料的发展及应用

复合材料是由两种或两种以上具有不同性能的材料组合而成的新的材料，各组分材料在性能上互补，从而使得复合材料的综合综合性能要优于其各组分材料。复合材料的初次使用可追寻至古代。从古代一直使用到今天的稻草增强粘土以及现在已经使用了一百多年的钢筋混凝土都是由两种或两种以上的材料复合而成。自1940年以来，因为航天领域的发展，人们制造出来纤维增强材料（即玻璃钢），自此复合材料逐渐进入人们的视线。而在1950年之后，人们渐渐生产出碳纤维、石墨纤维以及硼纤维等具有高模量、高强度等优异性能的纤维材料。在1970年后又出现了芳纶纤维和碳化硅纤维^[1]。这些具有高强度、高模量的纤维能与树脂、纳米陶瓷、碳基、陶瓷、水泥基等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，得到各种具有各自特点的复合材料^[2]。

复合材料的大规模运用始于第二次世界大战(20世纪40年代后期至20世纪50年代早期)，主要应用于海军的舰船，而目前已广泛运用于各行各业，遍及航空航天、车辆、船舶、化工、机械、建材、能源、体育用品、通信、农牧业以及医疗卫生等各个方面。比如说在航空航天中，由于航空航天对构件的重量的要求十分严格,因此如何减轻构件的质量对于提升飞机或火箭的性能是十分重要的，而目前先进复合材料正是由于具备了轻质高强的优良性能，被广泛运用于飞机、航天器和卫星等机器上^[3]；而在建筑方面，可用于各种结构、装饰、功能材料以及用来制造各种厨卫用具以及水箱等。

随着目前人类科技不断地发展，以及社会的不断进步，在材料这一领域中，复合材料所承担的任务会变得越来越重要，21世纪将成为复合材料的年代。

1.1.2 复合材料的特点

（1）先进复合材料与传统的金属材料等相比较，显示出了极大的优势，主要具有以下优点：