高性能复合材料热压罐工艺仿真分析

• Kinetic of the curing reaction • Characterization of the specific heat • Characterization of the glass transition
temperature • Volumetric characterization • Rheological characterization • Thermo-mechanical characterization (to different material state)
− Ei RT
• User-defined
Simcenter 复材固化成型工艺结构仿真
Isotropic resin matrix (liquid/rubbe ry/glassy) depending on T, X, Tg
Transversel y isotropic
fibers, temperature dependent
在每个迭代步每一个高斯积分点计算：
homogenizatio n of the
composite properties (stiffness, CTE, chemical shrinkage)
Total strain increments (thermal, chemical, mechanical)
• n-order
Ẋ = k 1 − X n
• autocatalytic
Ẋ = k X m 1 − X n
• Kamal & Sourour
Ẋ = (k1 + k2 Xm) 1 − X n
• Lee, Chiu & Lin Ẋ = k1 1 − X n l + k2 X m 1 − X n2
Thermal modeling: evolution of temperatures, degree of cure, Tg over time and space
Mold temp Temp in the part Glass transition temp. Degree of cure
Purely viscous
来自百度文库
粘弹性材料属性
Gelation
Full cure
Time
固化分析所需材料参数
Test matrix depends of the resin used in the process
Material properties to support the simulation process : • Thermo-chemical characterization
no load no residual stress
Gelation Glass transition
X ≥ Xgel
Tg(X) ≥ T
Visco-elastic
stress generation but relaxation
Elastic
linear behavior
Simcenter 复材固化成型工艺热化学仿真
Elastic stress increment with corresponding stress relaxation (MaxwellWiechert model)
Temperature
Young modulus
线性材料属性
Gelation
Full cure
Temperature
Young modulus
Manufacturing
In tools
CURING
De-molding
Source :
In autoclave
固化工艺 – 复杂的物理现象
固化工艺仿真 – 目标
首先: 其次 :
收益:
• 检查部件可制造性 • 检查固化变形量（是否存在超差） • 评估结构残余应力水平(可结合有限元分析进行强度校核或者渐进损伤分析) • 工艺流程优化、比较不同制造方案:
• 固化工艺流程设计, • 铺层定义(材料, 厚度, 铺层方向) • 结构设计 • 模具设计(外型, 模具材料, 夹具) • 工艺控制
对于生产任务的支持 工艺流程的优化 控制尺寸公差(对于大型装配构件)
基于西门子Simcenter 3D制造工艺仿真解决方案
Simcenter 复材固化成型工艺热化学仿真
层碳布，厚度0.125mm 成型工艺：在热压罐中，先从室温升温到150度，保温0.5小时；升 温到200度，保温0.5小时；升温到250度，保温1小时；升温到310 度，保温1小时；降温到60度，脱模。升温速率小于等于1C/min；降 温速率为0.5C/min，低于150C之后为1.5C/min。
Some properties are provided by material suppliers but not all as requested
Some parameters are already available on research communities
应用案例
背景： 外涵道机匣上的帽型加强筋 铺层： 铺层共14层，最外面2层玻璃布，厚度0.1mm；中间12
热控制方程（基本传热方程 + 树脂固化放热）:
p a(c T) = − a
at
axi
aT −ki j axj
+q
树脂固化放热:
固化度:
q
=
pH
TOT
ax at
1 − Mf
0≤x
t
=
Ht H TOT
t
= Xdt
。
≤1
Simcenter 复材固化成型工艺热化学仿真
Cure kinetic models in Simcenter Ẋ t = f(X, T)
基于Simcenter 3D平台的高性能复 合材料热压罐工艺仿真分析
技术创新 变革未来
先进复合材料制造工艺-变形回弹
固化工艺流程
Preparation of textile
Cost by operation
Woven
Draping + Form
Resin Flow
Cut Draping Resign flow
kT
= A exp
−E RT
kT
= A exp
−E RT
ki T
= Aiexp
− Ei RT
ki T
= Ai exp
− Ei RT
• Lee, Loos & Springer
Ẋ−=X)
(k1 + k2 X)(1 − X)(B k3(1 − X)
∀T ≤ XC ∀X > XC
ki T = Aiexp