【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，属于复合材料成型模拟。
技术介绍
1、纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越以及便于大面积整体成形等显著优点，已经广泛用于航空航天领域结构件的制备，复合材料的各向异性和不均匀性等特点使其成型过程难以控制。固化成型时，由于固化过程中树脂和纤维的热膨胀系数不一致、树脂的化学收缩以及构件与模具的相互作用等原因，复合材料在成型后往往会产生固化变形，固化变形不仅影响构件的质量，也会给后续的部装和总装带来新的问题。准确预测复合材料构件成型后的固化变形是控制固化变形的基础，对于改进成型工艺、提高成型质量具有重要意义。
2、传统研制方法中复合材料变形控制方法是基于工程经验的，制造试验件，并使用装检工装、三坐标或扫描仪检测型面等方式检验并统计变形情况，依据统计情况迭代优化产品工艺数模。此优化流程中包含工艺设计和发布、工装型面预置变形与工装准备、产品生产与变形统计等工作，往往伴随研制及生产周期长、技术难度大和制造成本高等痛点。基于固化变形仿真分析的研制流程相比于传统研制方法将节省大量的试验件制造和工装返修带来的周期和生产成本。
3、用于固化变形计算的力学模型中，线弹性本构模型没有考虑树脂的粘性特征，准确度较低；粘弹性虽然能较为真实地描述复合材料固化过程中的残余应力及变形，但是需要获取大量材料参数，如材料与温度、固化度及时间相关的粘弹性力学性能参数，材料表征难度大、成本高。
4、在现有技术中，专利cn11
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术提供一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，综合考虑树脂的粘弹性特征、材料表征成本和仿真计算时间，使用路径相关本构模型对热固性树脂基复合材料构件的固化变形进行分析，以降低构件研制过程中的研制周期与成本。
2、技术方案：为了达到上述专利技术目的，本专利技术提出一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，包括以下步骤：
3、步骤s1、基于复合材料所用树脂的动态差示扫描量热实验数据，根据不同的树脂固化机理函数，通过非线性拟合建立树脂的固化动力学模型；
4、步骤s2、根据步骤s1得到的树脂固化动力学模型，结合树脂及纤维的建立复合材料的热-化学模型，建立热-化学模型，得到树脂基复合材料的固化度场与温度场；
5、步骤s3、建立路径相关本构模型表征材料的力学性能，引入时间-固化-温度因子，将基体固化历程分解为相变相关的阶跃形式，将时间划分为玻璃态和橡胶态两个状态，树脂和复合材料在橡胶态和玻璃态的材料性能如模量、热膨胀系数等均为常数，在温度达到玻璃态转变温度时材料性能发生阶跃变化；以步骤s2得到的固化度场与温度场为边界条件，建立热-力学模型，得到树脂基复合材料的固化变形结果。
6、进一步地，步骤s1中建立树脂的固化动力学模型，包括以下过程：
7、步骤s11：按照一定的升温速率对树脂进行动态差示扫描量热试验分析，设置温度范围从室温25℃至350℃，得到差示扫描量热曲线；
8、步骤s12：根据步骤s11中的曲线得到树脂固化过程中的总反应热hu、固化反应的起始温度ti、峰值温度tp以及终止温度tf；
9、步骤s13：对升温速率和固化反应峰值温度的关系进行拟合，取二者平均值，得到活化能e；
10、步骤s14：利用步骤s11的试验数据得到相对应升温速率下固化度、固化速率与时间的关系，判断树脂的固化反应适用于自催化模型，通过非线性拟合，得到树脂的固化动力学模型。
11、进一步地，步骤s11中，选择升温速率分别为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min对树脂进行动态差示扫描量热试验分析，得到差示扫描量热曲线。
12、进一步地，热试验分析时，设置温度范围从室温25℃至350℃。
13、进一步地，步骤s13中，分别采用kissinger法和ozawa法对升温速率和固化反应峰值温度的关系进行拟合。
14、进一步地，步骤s2中，树脂基复合材料的固化度场与温度场通过以下步骤得到：
15、步骤s21：根据固化反应动力学模型，结合傅里叶热传导方程和能量守恒定律，得到复合材料的瞬态三维热传导控制方程；
16、步骤s22：通过试验及经验公式得到树脂在粘流态、橡胶态和玻璃态的热膨胀系数、弹性模量和化学诱导收缩系数；
17、步骤s23：通过试验得到复合材料所用纤维的弹性模量、剪切模量、热膨胀系数；
18、步骤s24：通过试验得到复合材料所用纤维的弹性模量、剪切模量、热膨胀系数，及复合材料的导热系数、比热容；
19、步骤s24：通过有限元软件建立热-化学模型，得到树脂基复合材料的固化度场与温度场。
20、进一步地，步骤s2、s3中，通过有限元软件simcenter 3d建立热-力学模型。
21、进一步地，树脂基复合材料的固化变形结果中采用不同的颜色代表复合材料构件的变形情况。
22、有益技术效果：本专利技术通过建立树脂基复合材料固化过程中的热-化学及热-力学模型，利用有限元软件simcenter 3d进行固化变形仿真分析，综合考虑材料参数收集成本与材料固化过程实际性能变化，提高仿真结果准确度；相比于传统试验，可快速得到树脂基复合材料的固化温度场与固化变形结果，提高研制效率，节省大量的试验件制造带来的周期和生产成本；与传统试验相比，固化变形仿真模拟使复合材料制件固化过程的温度、固化度、变形可视化；复合材料变形仿真计算与试验验证相结合，可以进行复合材料变形的机理、影响因素与变形与影响因素的敏感度等方面的研究，从材料设计、工艺参数设定、工装设计的角度对构件成型过程提出指导建议，推动复合材料构件的高质、高效制备。
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1.一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，所述仿真模拟方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，步骤S1中建立树脂的固化动力学模型，包括以下过程：
3.如权利要求2所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，步骤S11中，选择升温速率分别为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min对树脂进行动态差示扫描量热试验分析，得到差示扫描量热曲线。
4.如权利要求3所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，热试验分析时，设置温度范围从室温25℃至350℃。
5.如权利要求2所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，步骤S13中，分别采用Kissinger法和Ozawa法对升温速率和固化反应峰值温度的关系进行拟合。
6.如权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，步骤S2中，树脂基复合材料的固化度场与温度场通过以下步骤得
7.如权利要求6所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，步骤S2、S3中，通过有限元软件Simcenter 3D建立热-力学模型。
8.如权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，树脂基复合材料的固化变形结果中采用不同的颜色代表复合材料构件的变形情况。
...【技术特征摘要】
1.一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，所述仿真模拟方法包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，步骤s1中建立树脂的固化动力学模型，包括以下过程：
3.如权利要求2所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，步骤s11中，选择升温速率分别为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min对树脂进行动态差示扫描量热试验分析，得到差示扫描量热曲线。
4.如权利要求3所述的一种纤维增强树脂基复合材料固化变形的仿真模拟方法，其特征在于，热试验分析时，设置温度范围从室温25℃至350℃。
5.如权利要求2...
【专利技术属性】
技术研发人员：王梦雨，赵维维，吴霄，修志锋，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司济南特种结构研究所，
类型：发明
国别省市：
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