纤维缠绕复合材料壳体原位成型工艺研究

   
       热固型缠绕复合材料壳体以其优异的性能在航空、军事和工业等领域得到了广泛应用目前，制约其应用和发展的主要瓶颈是壳体的成本和性能，而壳体成型工艺直接决定了其最终性能和成本．由于缠绕壳体为中空结构，因此可以采用加热壳体内部金属芯模或内衬的方法实现缠绕后的或正在缠绕的复合材料的固化成型，即原位成型．本文介绍复合材料壳体原位成型新工艺，建立筒型壳体内加热固化过程的数学模型，利用有限元法对简体固化过程中的温度和固化度进行了数值模拟分析，该研究为实现壳体高效、优质且低成本成型提供新思路，为原位成型工艺设计、模拟和参数优化提供分析模型和方法．

       纤维缠绕热固型复合材料壳体（以下简称壳体）具有比强度大、比刚度高、容易成型和可设计等优点，使其在航空航天、军事、民用工程、能源输送和压力容器等领域得到广泛应用，产生了巨大的经济效益和社会效益，复合材料壳体是结构性能与工艺过程一体化的材料，其成型工艺过程直接决定了结构的最终性能和成本，当前制约复合材料应用和发展的主要瓶颈是材料性能和生产成本问题。

       在诸多热固型复合材料成型方法中，湿法缠绕技术能较好地实现低成本和高效率的结合，在复合材料壳体成型中获得了广泛的应用，传统的纤维缠绕壳体在缠绕机上缠绕成型后，通常采用‘外固化’I工艺在烘箱或热压釜内将热量通过辐射、传导和对流等方式传递给制件实现其固化成型．既然纤维缠绕壳体为中空结构，而且其成型时的芯模（或内衬）多为金属材料，因此可以采用加热壳体内部金属芯模或内衬的方法实现缠绕后的或正在缠绕的复合材料的固化成型，我们称上述工艺为‘内固化原位成型’工艺，

       本文对采用蒸汽进行芯模加热的内固化原位成型工艺进行了研究，介绍了原位成型工艺原理，由于固化制度的选择和设计是影响壳体质量的重要因素，而壳体固化过程涉及到热传导和放热性化学反应两个方面，是一个复杂的耦合过程，因此本文建立了简型壳体内加热固化过程数学模型，采用有限元法实现了壳体固化过程中温度和固化度的分布及其变化规律的数值模拟研究，以有限元软件AN SYS和APDL为平台开发了壳体内固化过程的数值模拟程序，对简型壳体固化过程进行了数值模拟和分析，为原位成型固化制度的设计和优化提供了一种有效的分析工具。

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