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热塑性碳纤维复材“纤维拟零应力”快速成型方法研究

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目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 复合材料研究现状

1.2.1 连续碳纤维增强复材研究现状

1.2.2 热塑性碳纤维复材成型性研究现状

1.3 One-Step逆成形研究现状

1.4 选题意义及研究内容

1.4.1 选题意义

1.4.2 研究内容

2 复合材料成型及One-Step理论基础

2.1 引言

2.2 复合材料基础简介

2.2.1 增强纤维属性介绍

2.2.2 PA族材料属性介绍

2.2.3 复合材料铺层介绍

2.3 复合材料力学基础

2.3.1 单层层合板理论

2.3.2 经典层合板理论

2.3.3 一阶剪切变形理论

2.4 复合材料成型方法

2.5 One-Step基本理论

2.5.1 基本思想

2.5.2 运动方程

2.5.3 本构方程

2.5.4 初始解迭代

2.6 本章小节

3 FQZS实验流程及坯料预示

3.1 引言

3.2 CCFRTPs成型解决思想及手段

3.3 实验流程及方案

3.3.1 材料属性及层合板制备

3.3.2 实验流程及坯料预示

3.3.3 FQZS本构形式

3.3.4 力学性能实验

3.4 坯料预示及仿真迭代

3.5 本章小节

4 FQZS成型方法结果分析

4.1 引言

4.2 成型性实验设定

4.3 方盒制品的冲压成形/型与试验对比

4.3.1 金属盒制品成形

4.3.2 准静态承载能力比对

4.4 不同成型温度下盒制品的承载能力对比

4.5 不同豁口补强匹配模式成型及承载能力对比

4.5.1 不同匹配模式成型结果

4.5.2 各匹配模式的准静态抗压能力

4.6 剪裁残余豁口分析

4.7 本章小节

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书

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摘要

能源的过度消耗和环境的持续破坏是人类发展所避免不了的巨大难题,新能源和轻量化进程是汽车产业发展的主流趋势,如何减轻汽车的整备质量,降低燃料损耗,减少尾气排放已成为现下的研究热点。作为新兴材料领域的领军者,复合材料无疑是解决该问题最佳手段之一,而质量轻、强度硬度高、比模量大等优点使碳纤维增强复材成为其中最具代表性的轻量化材料。热塑性复材相比于热固性复材,具有环保、可回收等优点。与短纤和长纤制品相比,连续纤维制品具有更出色的强度和刚度,故热塑性连续碳纤维复材具有极高的研究价值,但因碳纤维韧性差、热塑性树脂粘度高,且连续单向预浸料相比于编织布结构缺少剪切变形能力,故在成型时会出现起皱、角部纤维断裂等问题。 针对连续纤维复材制品在大批量生产中的成型效率和成型质量等问题,学者们一直在寻求一种快速高效、成型缺陷少的制造技术。本文以民用工业需求为导向,针对像连续纤维与热塑性树脂这类塑性变形能力相差十分悬殊的复合板材的成型问题,提出了“纤维拟零应力”(Fiber Quasi-Zero Stress,FQZS)快速模压成型方法。该方法将不可展的复杂三维复材制品,利用准各向同性One-Step逆成形算法分析实现坯料的形状预示,并将其快速优化成可展的自由曲面,以此解决不可展曲面在模压成型过程中模具角部所带来的应力集中、局部纤维过度拉延,以及由此引发的内部纤维的塑性断裂和表面成型缺陷问题。新方法保证在树脂的配合下,复材内部的连续纤维在整个成型过程中始终处于未被拉伸的所谓“拟零应力”的状态,其变形几乎全部由具有超高塑性变形能力的树脂来承担。可展坯料与角部补强同时加热的模压成型方式,可以有效保证剪裁制品的承载能力,纤维被切断部位由单向补强实现整体的固定和支撑。 本文基于One-Step逆成形算法对制品的坯料预示与剪裁迭代进行了仿真研究,分析了连续碳纤维成型缺陷的产生原因,并引入FQZS方法以解决此类问题。通过对增强聚酰胺6与碳纤维复合材料盒型拉深件的模压成型和准静态压溃实验,验证了该方法的可行性和有效性。通过对不同豁口与补强的匹配模式研究,确定了承载性最优的成型模式:下表面铺贴补强模式(LSSC),在不损失力学性能的前提下,提升了制品的表面质量,大幅度降低了表面的起皱程度。本文采用温模热料的模压成型方式,合模与固化成型时间短(40秒左右),相较于其他成型方法生产效率有明显提高,是一种真正适用于民用工业大批量生产的成型方法。

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