热压罐成型复合材料结构可制造性评价方法的研究

摘要

复合材料凭借比强度高、比刚度大、便于大面积整体成型以及抗腐蚀等的优点成为飞机结构上的主要应用材料之一，并逐渐向结构整体化、设计制造集成化的方向发展。相比传统的金属材料，复合材料构件材料形成与结构成形同时完成，设计师可以根据需要在极大范围内实现复合材料结构形状与材料性能的优化设计。但是复合材料所呈现的多层次结构特性，也意味着其制造过程的复杂程度要远远高于金属材料，导致最终产品的质量稳定性差，性能数据分散度很大。因此提高工艺质量稳定性成为复合材料结构设计过程中所面临的严峻挑战之一。特别是对于大型整体化结构而言，集成化的制造过程将使复合材料结构的质量问题更加复杂化。高效的复合材料结构设计必须基于对复合材料结构制造工艺的深入认识以及面向制造的设计（Design for Manufacture, DFM）理念的指导。
　　当前人们对于DFM技术在复合材料领域的应用已经有了一些值得肯定的研究与知识总结，但这些研究成果还主要停留在简单的设计准则的基础上，并没有形成系统化的复合材料结构DFM评价知识框架并充分发挥其设计指导效用，特别是对应复合材料工艺质量指标提出的可制造性评价方法的研究尚未出现。必须将复合材料结构制造经验与具有普适价值的复合材料工艺理论紧密结合，构建完整、定量化的复合材料结构制造知识体系，并且借助于知识库软件和计算机模拟手段，才能实现复合材料产品可制造性的定量化评价。本文主要从以下几个方面进行了研究：
　　1.研究复合材料产品面向制造的设计过程中的系统化评价方法。基于复合材料制造工艺特点，提出复合材料结构可制造性概念的基本内涵；完成复合材料DFM系统框架设计，包括结构组成，功能需求和关键技术；利用特征技术完成复合材料加筋壁板结构评价对象特征建模，根据系统评价内容提出多层化评价指标体系，分析评价知识需求，同时根据多工序/工步制造过程中产品质量指标间的传递关系，提出了基于工序/工步进行的复合材料结构质量评价模型。
　　2.研究热压罐成型过程质量指标体系及其相互关联的特性。根据热压罐成型工艺特点，确定了工艺流程关键环节的质量控制目标及其定性/定量指标表达，重点分析固化周期不同工步的质量指标及其对最终产品质量的影响；基于工艺理论模型进一步确定不同固化指标对应的泛函表达，并且用于指导定量化质量可制造性评估流程的设计；最后提出一种基于有限元实现的工艺模型数值解法，并且通过三组铺层设计不同的复合材料层合板热化学应变导致固化变形进行数值模拟验证所提方法的有效性。
　　3.根据所提出的基于工序/工步的定量化可制造性评价流程完成复合材料层合板结构孔隙缺陷评价方法的研究。分析固化过程中孔隙形成及生长模型，明确了通过水分扩散控制生长孔隙的关键工艺参数以及树脂压力临界条件，提出孔隙生长抑制力指标，用以表征固化过程中孔隙扩散生长的可能性；确定了孔隙缺陷评价过程需要参与的材料参数、结构和工艺设计参数，以及评价过程需要的关键质量指标；根据质量指标间内在关联属性完成基于工步的孔隙缺陷评价流程的设计，并且针对不同的研究对象完成具体评价步骤的实例分析，验证了孔隙缺陷可制造性评价方法的工程实用价值。
　　4.根据所提出的基于工序/工步的定量化可制造性评价流程完成复合材料加筋壁板结构固化变形评价方法的研究。分析复合材料结构导致固化变形的主要来源，明确固化周期中复合材料性能变化，以及作用于不同工序中的固化变形指标参数和加筋壁板结构固化变形指标；确定了加筋壁板固化变形评价过程需要参与的材料参数、结构和工艺设计参数，以及评价过程需要的关键质量指标；根据指标间内在关联属性完成基于工步的固化变形评价路程的设计，并且针对不同的研究对象完成具体评价步骤的实例分析，验证了固化变形可制造性评价方法的工程实用价值。

目录

热压罐成型复合材料结构可制造性评价方法的研究

STUDY ON MANUFACTURABILITYEVALUATION METHOD OF COMPOSITESTRUCTURE IN AUTOCLAVE PROCESS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外相关研究综述

1.3 本文主要研究内容

第2章 复合材料可制造性评价系统及其关键技术

2.1 引言

2.2 复合材料制造工艺特点及其可制造性

2.3评价系统及其关键技术

2.4 本章小结

第3章 热压罐成型质量指标及其相互关联

3.1 引言

3.2 热压罐成型工艺特点

3.3 质量指标及关联模型

3.4 热化学应变实例分析

3.5 本章小结

第4章 层合板孔隙缺陷评价方法

4.1 引言

4.2 孔隙生长机理模型及评价指标

4.3 孔隙缺陷评价流程

4.4 孔隙缺陷评价实例

4.5 本章小结

第5章 加筋壁板固化变形评价方法

5.1 引言

5.2 固化变形机理及评价指标

5.3 加筋壁板固化变形评价流程

5.4 加筋壁板固化变形评价实例

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

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