1. 研究目的与意义（文献综述）

环氧树脂固化过程中形成的内应力，是影响灌注产品使用以及贮存过程可靠性的关键因素，应力过大可使得灌注件中绝缘材料开裂，进而导致高压产品灌注防护效果（固定与绝缘性）大幅度下降，使得产品可靠性受到严重影响。而通过环氧树脂固化工艺阶级曲线的选择，可有效降低其固化内应力，但是由于阶级固化阶级曲线可选择范围广（涉及到温度与时间两个变量），单纯采用试验分析手段，使得整个分析周期以及工作量无法估算，且目前行业内针对环氧树脂类材料固化内应力的研究，大多采用有限元仿真方式开展。因此本研究采用仿真分析与试验验证相结合的方式，针对某型号产品中现有的几种环氧树脂灌注材料，开展固化工艺优化的研究，重点分析树脂在不用阶级固化工艺曲线（阶级温度和相应时间）下，固化过程中内应力的演变过程，并同时对固化过程树脂内部温度、固化度和弹性模量进行分析，最终获得基于固化内应力优化的最佳阶级固化工艺曲线（阶级固化温度计相应固化时间）。并通多实际制样与测试验证过程，多轮仿真迭代过程，进而保证仿真测试的可靠性。

环氧树脂一般为线性有机高分子预聚体，通常情况下其相对分子质量均较低，只有在加入固化剂发生交联反应生成致密三维网状结构后才会表现出各种优良的性能。环氧树脂的固化反应是一个包含多种物理变化和化学反应的复杂过程，在此过程中树脂通过凝胶从液态转变为橡胶态，最终经过玻璃化转变而稳定在玻璃态，与此同时也会有很多化学反应在发生，环氧基发生开环形成了羟基、羧基、酸酐等，固化剂又发生反应生成多种中间体，环氧树脂结构中的苯环、醚也可能与活泼固化剂发生复杂的化学反应，反应的不同时期其反应控制因素也不同，前期一般为化学反应控制，后期往往发展为扩散控制，因此体系的固化机理十分复杂。固化动力学研究是分析环氧树脂固化反应的一个重要手段，通过该研究得到准确的固化动力学模型，从而对复合材料工艺进行预测、指导及优化就显得十分重要。近年来，固化过程监测及智能同化控制成为研究热点。环氧树脂固化动力学研究中常用的分析方法主要有差示扫描量法（DSC）、红外光谱法（IR）、热重分析法（TGA）、激光拉曼光谱法（LRS）、介电分析法（DEA）、动态扭振法等。但这些分析结果不是在产品上直接测H5的，很难反映产品在脚化成型过程中的实际情况。将应变片、热电偶、压力探针等传感器埋入复合材料结构中，实时监测同化过程中温度和应力参数，但由于上述传感器体积大，与复合材料相容性差，从而影响监测结果。光纤布托格光栅(FBG)传感器自1978年问世以来，由于其具有质量轻、直径细，不产生磁场干扰，结构简单、与基体材料兼容性好等诸多优点，存智能结构的传感技术研究中倍受青睐。温度和内应力是影响固化过程和结构性能的重要因素，将双光栅的FBG传感器埋入到环氧树脂灌注料中，监测固化过程中温度和内应力变化，并简要分析了固化后的残余应变。实验证明FBG传感器可有效监测固化过程的温度、黏度和内应力，能够作为智能固化控制依据，且固化结束之后，相同的传感器可以被用于提供结构使用过程中产生的温度／机械变化的信息。在应力变形分析模块中，关键的工作是确定材料的固化力学本构方程和数值模型的边界条件。本构方程表示的应力－应变－时间的关系，在具体数值模拟中，需要确定增量步中应力增量与应变增量（机械应变）的比值（雅克比矩阵）和当前增量步中应力大小。对于固化过程中复合材料力学本构的关系，早期研究复合材料在固化过程中固化变形和残余应力时考虑的因素比较少。Ｓｔａｎｇｏ等假设固化过程中复合材料性能为常数，采用线弹性本构方程预测降温阶段温度引起的复合材料残余应力。线弹性本构方程结合层合板理论是常用的预测复合材料构件固化变形和残余应力的方法之一，对于厚度较薄的构件，效果比较理想。但是复合材料的性能与固化度、温度等多个因素有关，将复合材料的性能视为常数显然有很大的局限性。目前常用的固化力学本构模型有三类，分别是 ＣＨＩＬＥ、黏弹性和简化黏弹性本构模型。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

2.1.1环氧树脂灌注料固化配方优化研究

本研究内容共有适用于不同关键部件的灌注材料两类室温固化环氧树脂配方(QC树脂和E51树脂，不同填料含量共十种，具体见表一与表二)，和一种中高温固化环氧树脂E39D（灌注腔体体积在20ml左右），具体如下表所示：

配方表一：

配方表二：

根据上述表一、表二配方类型、配方原料以及固化工艺，使用FBG传感器在线监测QC树脂与E51树脂的固化过程，并完成不同树脂配方在明确的固化工艺下固化过程中树脂应力与温度变化的分析，进而为优选出最佳树脂材料配方提供理论依据，并给出相应的应力-时间与温度-时间曲线。

2.1.2环氧树脂灌注料固化工艺优化研究

采用Abaqus有限元分析软件进行多物理场耦合建模，仿真分析在固化过程中树脂材料的温度、固化度、弹性模量以及应力的变化。在保证QC树脂内部温度在固化过程中不高于75°C（另外一种E39D树脂现有阶级固化温度范围为100-130°C，用于参考）前提下，仿真优选出较佳的三条阶级固化工艺路线，并经过实际制样与测试验证过程（优选工艺曲线下，树脂的拉伸、压缩、弯曲、冲击性能尽量不低于现有工艺，实际固化物的固化温度与最终应力相对较低），优选得到一条最佳的固化工艺曲线，且采用优化的固化工艺方案的树脂温度和应变的有限元模拟结果和相应条件下的FBG测试结果的误差在20%以内。

2.2研究目标

本研究的内容主要包括两个部分：第一部分为针对现有两类室温固化环氧树脂 硅微粉的配方，采用光纤光栅应变检测技术分析不同硅微粉添加量的环氧树脂室温固化应力大小差异，结合已有配方的粘性、机械性能，为后期针对不同型号产品需求，指导优选出最佳树脂材料配方；第二部分主要借助于多物理场耦合Abaqus有限元分析，同时辅以试验验证方法，考虑灌注对象在温度可接受范围内，将现有一种室温固化环氧树脂调整为中低温阶级固化，以提升现有其固化效率以及初始材料机械性能；以及针对另外一种现有的中高温环氧树脂固化配方，优化阶级固化工艺，以降低材料应力。

2.3技术方案

2.3.1、环氧树脂灌注料固化配方优化研究

光纤布拉格光栅（FBG）传感器埋置在材料内部同时受到温度与应力作用，中心波长的变化是温度场-应力场耦合的结果，只要解开耦合效应，就可以分别得到固化过程中复合材料内部温度与应变的变化信息。本部分将FBG埋置在环氧树脂内部，通过下式

（1）

利用两个系数-应变灵敏度系数和温度灵敏度系数解开耦合，获得固化过程中树脂内部的温度与应力变化。

2.3.2、环氧树脂灌注料固化工艺优化研究

有限元软件Abaqus可以模拟树脂的固化过程，基于ABAQUS软件内置的热传导模块，结合USDFLD，FILM，DISP，HETVAL用户子程序，使用Fortran语言编写用户子程序代码，其中FILM和DISP定义热传导边界问题，USDFLD耦合热传导和树脂固化反应动力学分析，模拟固化过程中温度场和固化度场的变化。基于ABAQUS软件内置的应力-位移模块，使用UMAT、UEXPAN、USDFLD用户子程序模拟应力场、应变场变化，其中UEXPAN描述材料应变行为（热收缩、固化收缩），UMAT描述本构关系，USDFLD实现热-力耦合数据传递，给出多场耦合作用下树脂固化全过程的数值模拟。

通过实验测试仿真所需的输入参数，包括树脂固化动力学方程、比热、传热系数、热膨胀系数、固化收缩率、弹性模量、泊松比、密度等，对树脂固化过程进行仿真，优选出3条工艺曲线。对优选工艺曲线固化的树脂力学性能进行测试，若力学性能下降较多，则返回重新优选曲线，直至达标。在优选工艺曲线中选择树脂固化温度和应力较小的，并将仿真结果和FBG实验结果进行对比，要求误差控制在20%以内，若误差过大，重新再进行仿真优选过程，直至确定最终优化工艺曲线。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－8周：按照设计方案，完成环氧树脂固化内应力试验测定，完成树脂固化配方优选研究。

第9－12周：借助于多物理场耦合abaqus有限元分析，选择qc-3和e39d两种配方完成固化工艺优化研究

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 常新龙, 何相勇, 周家丹, 李明. fbg传感器在复合材料固化监测中的应用. 传感技术学报. 2010(05):748-752.

[2] 常新龙, 何相勇, 周家单, 李明. 基于fbg传感器的复合材料固化监测. 宇航材料工艺. 2010(04):80-83.

[3] 贾子光, 任亮, 李宏男, 任明法, 黄其忠. 应用光纤光栅传感器监测复合材料固化过程. 中国激光. 2010(05):1298-1303.