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碳纤维缠绕复合材料固化过程残余应力计算

摘要

碳纤维缠绕复合材料因具有优良的力学特性成为航空航天、兵器和运输等行业的理

想材料，应用程度正日益增加。湿法缠绕是制作纤维缠绕复合材料最常见的成型方法，

固化工艺的优劣会直接影响材料的机械性能。复合材料在固化过程中从较低温度上升较

高的加工温度直到冷却到室温，产生的残余应力成为影响结构材料性能最重要的因素之

一。本文主要对固化残余应力的形成过程以及不同缠绕角度下结构的承载性能进行研究，

以数值仿真为主要研究方法，建立了用于模拟复合材料固化成型过程中温度、固化度和

残余应力演变的数值模型，并借助强度准则开展结构在拉伸、弯曲、扭转和组合载荷作

用下的损伤分析。

本文的主要工作内容如下：

（1）利用热传导方程、固化动力学方程、固化变形模型和粘弹性本构模型，借助用

户子程序建立适用于复合材料固化过程中温度场、固化度场模拟和残余应力计算的有限

元模型。首先以AS4/3501-6复合材料层合板为例，计算层合板中的温度和残余应力分

布情况，并对计算结果进行了验证。

（2）构建碳纤维缠绕复合材料结构数值模型。首先对结构进行热化学耦合分析获

得结构中温度场和固化度场的分布情况，接着以温度场为输入变量，开展热力耦合分析，

获得结构中固化残余应力在整个固化进程中的变化情况。并分析了固化工艺温度、固化

环境、结构构型、纤维缠绕角度对结构中固化残余应力分布的影响。研究发现，固化工

艺温度在较小范围内发生变化会造成结构中温度场和固化度场发生变化，进而对固化残

余应力造成影响；结构中内衬材料尺寸发生变化会明显改变复合材料中应力的大小；同

时纤维缠绕角度的改变也会对残余应力的分布产生影响。

（3）基于Hashin准则和材料性能退化模型，建立了碳纤维缠绕复合材料结构损伤

分析模型。获得了拉伸载荷、弯曲载荷、扭转载荷和组合载荷作用下结构的承载能力。

紧接着分析了固化残余应力对于结构承载性能的影响。结果表明，纤维缠绕角度决定了

复合材料的承载能力，同时固化残余应力的存在对于结构承载性能的影响也不容忽视。

关键词：残余应力；粘弹性本构模型；用户子程序；损伤分析；Hashin准则

碳纤维缠绕复合材料固化过程残余应力计算

Abstract

Carbonfiberwoundcompositesareincreasinglyusedinvariousfieldasidealmaterials,

suchasaerospace,weapons,transportation,owingtotheirsuperiormechanicalproperties.The

mostcommonformingmethodforfiberwoundcompositesiswetwinding.Andthemechanical

propertiesofcompositesaftercuringdependonthecuringprocess.Oneofthemainfactors

affectingthemechanicalpropertiesofcompositesisresidualstress,whichiscausedbythe

recoveryofthetemperaturefromanormalrisetoahigherprocessingtemperatureduringthe

curingprocess.Aimingattheformationprocessofcuringresidualstressandtheinfluenceof

windinganglesonthebearingperformanceofstructures,thispaperusesnumericalsimulation

asthemainresearchmethodtoestablishanumericalmodelforsimulatingtheevolutionof

temperature,degree