热固性复合材料固化过程中温度场的三维有限元分析

       根据热传导和固化动力学理论，采用三维有限元方法，对正交各向异性复合材料层合板固化过程的温度和固化度历程及其变化规律进行数值模拟研究。在有限元分析中节点自由度为温度和固化度，考虑了两者之间的耦合作用。计算结果表明：厚度越大，温度峰值越高，中心点开始固化越晚；不同纤维体积含量层合板在固化初期是同步的；中心点温度超过保温平台(85 0C)后，随着环境温度继续升高，纤维体积含量越低，中心点温度峰值越大，出现时间越早。

       复合材料层合板固化过程中，由于外部环境的变化和其自身固化反应产生的化学放热，使层合板内部产生复杂的温度梯度，这种不均匀温度场是引起残余应力和残余变形、导致复合材料层合板早期破坏的根本原因。因此，研究层合板在固化过程中的温度和固化度分布，对改进工艺条件、提高产品质量具有重要意义。

       近年来，采用数值模拟研究复合材料层合板固化过程取得了一定进展。Loos等首次采用模块化方法研究层合板固化过程，提出了描述热传导、树脂流动和残余应力的数学模型，并据此针对A S4/ 3501-6单向层合板建立了一维数值模拟程序。Twardowski[3]的研究指出了厚板在固化过程中所特有的一系列问题：温度梯度会导致粘性和固化度的各向异性：初始固化度对固化过程影响甚微：温度峰值首先出现在层板表面附近，然后逐渐向中央移动达到最大值等。Bo getti'41采用二维有限元方法数值模拟任意截面形状和边界条件层合板的固化过程，研究表明：温度和固化度梯度和构件几何形状、热传导各向异性、固化动力学及热压罐温度历程等因素有关。随着复合材料整体成型和共固化技术的发展，采用三维有限元方法模拟复杂形状结构和边界条件的固化过程成为该领域的发展方向之一。本文中建立了正交各向异性材料的三维热传导和固化动力学有限元方程，分析和讨论了纤维体积含量和厚度对层合板固化过程中温度和固化度的影响。

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