文摘

在这项研究中,我们发展一个基于有限元分析方法来预测体重增加的碳编织复合材料暴露于水分。之间的类比分析基于热传导和扩散过程,使得对商业代码使用有限元分析。详细有限元模型使用一个重复单元细胞(RUC)是对包和开发碳编织复合材料。调节进行了测试,估计树脂和复合的扩散系数。当比较数值和实验结果,发现过程引入了平均误差为20%,最大误差31%如果RUC假定为各向同性。另一方面,平均误差不超过10%,最大误差小于20%,当材料被认为是正交的。过程是独立于特定的纤维结构和可以扩展到其他的复合材料。

1。介绍

吸湿性是一个关键因素在设计聚合物复合材料应用于航空航天结构,因为它会影响零件的尺寸稳定性在长时间运行和短时间。

即使是少量的水分吸收从环境中可以修改明显复合材料的机械和物理性能1- - - - - -4]。水分产生肿胀,降低矩阵的玻璃化转变温度,并影响matrix-dominated属性如层间抗剪强度、断裂韧性,耐冲击,可能剥离(1]。其他属性相关的生命周期结构,抗疲劳等都受到了影响:复合材料的疲劳行为是影响树脂的韧性和抗微裂缝。

复合材料的力学性能退化是严格与体重变化由于吸湿。先前的研究表明,体重变化和水分平衡的数量取决于环境条件和纤维结构。宝仪研究了温度对BMI树脂的吸湿过程的影响及其复合材料(4]。实验结果证实温度对应的增量加速扩散过程和减少水分的最大数量的平衡。作者确定了扩散系数通过测量体重变化作为时间的函数在不同的温度下,反应的活化能,发现取决于树脂,而最初的扩散系数强烈依赖于纤维的存在。一些作者强调以前被忽视的问题,这是依赖湿度浓度扩散系数的材料(5]。实验结果表明,吸收的速度更快在最初的过渡,然后它会慢下来,因为它接近平衡。这种行为是正当的作者与空洞的存在和骨折在固化过程中创建的。在最后阶段,增加湿度的复合引发肿胀导致关闭这样的空间,因此扩散系数下降。

周和卢卡斯(6条件一个单向石墨/环氧复合材料在不同温度下通过浸泡在蒸馏水。他们发现,理论和实验结果之间的差异与空调的温度增加。作者个性化的极限温度,得出的结论是,如果吸收过程遵循菲克定律;如果异常出现在扩散的机制。从广域网等人也获得了类似的调查结果多轴编织复合材料(7]。复杂的纤维结构和复合内孔隙的存在证明菲克定律和实验数据之间的差异。作者还研究了外部负载吸收和扩散过程的影响。预加载材料显示初始扩散过程的加速对卸载材料和减少后续的机械性能。另一方面,外部负载应用到材料降低了吸收过程,提高力学性能。最初,外部负载产生增量的微裂隙扩散系数的增强;然后加载诱发塑性块微裂隙减少吸收的速率。

调节测试一直是一个有用的方法来理解水分扩散的机理和影响复合行为仍然是受欢迎的技术,设计复合材料。然而,测试可能需要几个月的实验与明显的成本。复合水分扩散的预测模型和长期行为将设计师的强大工具。在过去,一些一直在努力开发数值和分析方法来预测退化特性和水分的吸收。这些研究给一个可接受的最终水分含量的预测和单向纤维复合材料的膨胀系数3]。然而,很难构建有效的方法对于复杂的纤维结构,由于dual-scale现象的本质。近藤和塔基•朗格Gudmundson将注意力集中在类比和复合纤维分布的重要性(8,9]。唐等人研究了牵引的影响组织的水分扩散编织复合材料的横向扩散系数确定单个包采用3 d单向复合模型与随机纤维分布(10]。

Vaddadi等人开发了一种基于逆分析技术方法来估计水分扩散过程的参数为单向碳增援部队(11,12]。扩散系数和湿度平衡测定使用一些简单的测量体重增加。这个方法使用一个循环预测过程基于卡尔曼滤波理论,这是决定变量非线性条件下特别有效。作者采用了重复单元细胞模型来确定复合属性在平衡条件下,但是这种分析不能扩展到短暂的时期,因为材料无法分析一致。

在这里,我们提出一种基于有限元分析的数值方法预测体重增加水分的曝光时间的函数与复杂的纤维结构如碳复合材料编织。傅里叶之间的类比和菲克定律已经采用了使用一个可用的商业代码,Femap 8-Maya TMG,实现了有限元分析。占的水分吸收复合dual-scale现象,包,carbon-braided ruc用于有限元分析。调节测试进行验证数值模型。未来的工作将决定复合产生的应力和应变的水分浓度场评估使用这个模型。

2。理论

对于大多数复合材料,如carbon-glass / epoxy-polyester,假设纤维不透水,水分扩散只在矩阵。这个假设是无效的和芳纶纤维复合材料,它可以吸收大量的水分。

考虑到矩阵是均匀和各向同性,水分质量扩散通过复合材料可以描述使用菲克定律(方程(1))。采用菲克定律意味着复合没有任何缺陷,孔隙和微裂隙。

菲克定律(方程(1))(2,3,13]相当于傅立叶定律(方程(2))(13为热扩散),所以可以使用这种类比研究水分的扩散通过材料

浓度在(1)相当于温度在(2),而扩散系数相当于热扩散率。然而,边界条件之间的对应关系并不那么简单。主要问题是不连续的纤维和基体之间的界面。事实上,虽然两种材料之间的接触温度可以认为是相同的,这不是水分扩散。近藤和塔基•朗格Gudmundson [8,9]提出引入的相对浓度代表即时水分数量之间的比率在平衡和水分。这个参数可以被认为是大约连续通过接口,可以用来设置边界条件。其他边界条件可以得到的通量,通过接口是恒定的温度和扩散过程。材料内部的水分扩散慢于许多数量级的热流。

上面的类比是用来描述两个不同程度的水分流:在拖,拖,也就是说,在微尺度和中尺度。事实上,纺织纤维的结构是由牵引编织在一起定义复合材料的宏观结构。一束束的良好结合纤维形成的纤维牵引,但重要的空卷在一个拖。包内的安排表示材料的微观结构。我们假设空间完全取代矩阵,和,纤维和基体之间的附着力是完美的。因此,水分扩散通过宏观结构和纤维之间的空间牵引。

3所示。材料和方法

3.1。材料

T300双轴carbon-braided 12 ?K生产以表格和编织±45角形状^°。这种材料已经被现在的贸易名称144/11 Eurocarbon如图1。这种材料的特点是平均密度为1.76 ?克/厘米³,单位面积重量6.6 ?克/厘米²和纤维直径约7 ?µm。的树脂聚酯Aropol平均密度为1.2 ?克/厘米³,69年^°C,治疗周期24小时在室温下。树脂脱气12小时使用前消除裹入气泡。3的分层有均匀的厚度吗?毫米,与纤维体积分数0.5。纤维体积分数是偶数层;这个选择简化RUC-braided组合的有限元模型。

3.2。方法

生产层压、平层栈序列得到的管状编织。特别注意被用来减少编织的袖子,同时保持了编织角。编织角的变化可以产生沿纤维拉伸或压缩,导致纤维变形。为了避免这种缺陷,管状编织PVC圆柱芯棒,一定直径的,沿着边缘用胶带固定。报告的准备序列图1。层被定位在RTM工艺的金属模具。

生产复合材料用树脂传递模塑(RTM)工艺获得完成表面和最小化内部微孔的形成。设备的制造过程如图2:压力容器通过注射泵内的树脂模具盖茨;树脂部队空气从排气,同时饱和粗加工。模具填充后,门和排气夹允许层压板的治愈。当树脂的聚合完成后,模具被打开删除最后一块。

固化后,没有干点的情况下,孔隙度、树脂的口袋里,和其他缺陷,分类标准ASTMD 2562,验证了视觉检查。空白内容根据标准ASTM D 2734计算。空白内容的比例最高为0.1%。纤维体积分数被确认使用该方法根据ASTM D 2584树脂烧化。图3显示了一个carbon-braided /聚酯复合用于获得条件测试的标本。样本从复合层压板符合ASTM D 6856 - 03年和ASTM D 5229 / D 5229 - 92标准。根据这些标准,样品尺寸必须至少两次的厚度单位细胞水分的方向流,必须执行和测试的相对湿度RH和空调的温度低于85%-25年^°用涤纶的69年^°C,调节测试进行的最大允许温度35^°C的慢动态加速水分扩散过程。可见,如图4样本的侧表面绝缘,以避免直接接触到水分。采用这种预防措施为了简化有限元分析的边界条件。

CHALLENGE-CH 250气候室,和体重变化的样本记录与精密天平(±0.1 ?毫克)。每个样本加权每24小时。图4显示了气候室用于执行条件测试;也显示在测试内部室,树脂和复合标本。整洁的树脂标本将未硫化的树脂注入RTM模具,获得允许厚度控制。整洁的调节测试树脂被用来计算树脂扩散系数和相对体重平衡。和计算(3)[3]在MATLAB实现迭代过程之间的误差最小化的基础上计算体重增加和相对体重增加在暴露于水分

一旦确定相对体重增加在平衡时,水分浓度可以计算使用(4),是初始重量。

4所示。实验结果

实验结果的调节测试矩阵和编织复合图所示5。图表代表比例体重增加的趋势作为时间的平方根函数。回归分析表明,体重也装有立方插值,得到确定系数。常数,,用于回归分析分别是0.0236,0.0077和-0.0009。

此外,这一趋势相对于过渡时期密切线性(图5)。线性曲线的斜率与水分扩散,增加的斜率。水分吸收接近水分平衡内容以来,当地的斜率减小,直到大约0饱和点,记录重量差异不显著。600小时后达到饱和点,此时体重百分比是0.195%。水分扩散更容易在整洁比复合树脂的标本;因此,大量的水分平衡是稍早触及的树脂对复合。不同的反应是由于纤维增援的存在。如上所述,使用矩阵参数的数值模型计算从实验数据:10⁹?厘米² ,,10³? g / cm³。

5。有限元分析

使用商业的有限元数值分析FEMAP TMG软件,采用导热之间的类比和水分扩散过程。软件解决热传导问题用有限元/控制体积方法,确定计算点的温度。计算点的重力中心,应用边界条件,一个元素的边界。边界元素的位置取决于元素的类型。对3 d元素,元素的边界定位在中间的表面,而对于二维元素,中间的边界表面的边缘。一旦温度矩阵在解决这些点,温度插值的网格节点。内部的温度场元素被认为是线性的。

数值模型显示了一些复杂性由于不同长度尺度的组合内的扩散过程。考虑到这方面,两种不同的模型已经开发出来。我们假设纤维和基质是完美的结合,碳纤维是不透水的水分,所以他们的扩散系数是零。这一假设,只有通过树脂水分流动。假设包作为一个单向复合、扩散系数平行束方向相当于矩阵扩散系数,而扩散系数正常包方向重合的扩散系数在包中,也就是说,矩阵在微尺度扩散系数。这个参数决定执行RUC包的热分析模型,然后设置carbon-braided RUC的材料特性。定义RUC模型模拟运行后,材料特性,数值收敛。

为了降低计算成本由于carbon-braided RUC的大量元素,我们考虑牵引为各向同性材料与扩散系数等于两个方向的扩散率正常。这种假设支持考虑到湿度流直接材料的厚度,设在。事实上,之间的角度从90年设在纤维方向变化^°到81年^°。

使用两个项目进行了后处理:第一个进口两个矩阵中元素的质量,对牵引和树脂,分别计算的总质量。第二程序接收输入的温度元素的向量和矩阵确定从第一个项目。质量乘以计算每个元素的温度变化和相应的质量。然后,相对质量增益是由分裂等质量变化的开始。这两个项目已经在MATLAB中实现。

5.1。RUC模型包

包的特定几何允许只考虑截面,减少一个二维问题的分析。构建模型的第一步是确定的区域代表了中国人民。为了做到这一点,纤维分布、纤维长丝的数量,和记者纤维体积分数必须被定义。先前的工作表明,单向纤维随机分布给出了更紧密的协议与实验数据比普通。这可以解释说考虑到在一个随机分布有区高纤维密度对水分扩散,创建了一个障碍。另一方面,常规的纤维分布特点是统一的纤维之间的距离,这对水分通量生成路径。

以前作品确定所需的最小数量的纤维细丝描述包的行为是八9),12束的纤维体积分数吗?在±45 K碳编织^°在0.7至0.78的范围(10,11]。假设的值0.747和纤维直径是7吗?µ米,部分地区的纤维细丝和RUC的总面积可以很容易地计算。吸湿过程相对于包可以使用二次二维模型模拟有优势= 20.3 ?µ米,有八个随机分布的纤维。纤维被建模为空洞,因为扩散系数和水分平衡几乎是零,所以这些地区可以被认为是无形的扩散过程。该模型符合板元素,如图6;元素的总数是4839和节点的总数是5381。的材料属性矩阵用于类比报道在表1。

5.2。RUC-Braided组合的模型

RUC-braided模型三维几何复杂性和提出了一些由于编织架构。为了创建一个真正的材料,包被认为有透镜状部分。每个部分由两个周长的十字路口。图7显示使用的几何结构和相关参数模型;当厚度和牵引的长度,两个几何可以完全定义。

厚度可以确定通过观察,真正的组合是一个3 ?与4毫米厚层压板层。每一层的平均厚度0.75 ?毫米,每层两个牵引重叠。因此,透镜状部分的厚度0.375 ?毫米。

包长度的确定更为复杂和基于重复单元细胞如图8。在这里,我们显示的顶部和底部表面编织RUC图式化,为简单起见旋转45^°对轴的材料;的牵引方向是蓝色的,而牵引方向是黄色的。牵引被数定义各自的位置在顶部和底部表面。指示与丝束宽度,RUC体积,牵引总量可以表示为的函数;然后通过设置计算复合材料的纤维体积分数吗,如方程 方程(5)是使用一个迭代过程中实现MATLAB数值解决,后表达和函数的几何因素(图7),考虑到拖carbon-braided RUC的总量可以通过增加牵引的总长度(方程(6))的横截面面积: 结果是?毫米,= 4 ?毫米,与实验观察一致。

一个基本维度RUC 5.657吗?毫米×11.318吗?毫米×0.375 ?毫米。RUC并不是唯一的,但尽量减少计算成本,我们认为RUC的最小尺寸。在任何情况下,一个单一的RUC是充分的调查在静止的条件下水分扩散过程,但在短暂的政权。事实上,水分已经弥漫在相邻的RUC达到平衡:在这种情况下,通过厚度发生吸收。考虑到四层的复合制造,应该采用基于四重叠的ruc模型。层压板的对称性和介质平面的边界条件减少高校两个重叠的单一细胞的数量。是网状模型使用22480个元素和6233个节点,使用三维固体元素CHEXA CTETRA。图9显示了carbon-braided RUC模型用于分析:矩阵用蓝色区域,黄色表示纤维区。

定义模型后,需要确定使用类比吸收材料的热性能和热传导;这些属性被发表在表2和3。

6。数值结果

6.1。有限元分析包RUC的水分扩散

束的扩散过程的模拟模型允许计算扩散系数正常包方向。图10显示了收敛性进行分析,估计计算结果的准确性。数值收敛时视为达到平均温度的变化作为时间的函数步骤是小于等于10³。这种变化对应于75000年时间的步骤。图11在四个不同的时间步骤显示了模拟从最初的时间平稳过程的开始。的过渡阶段扩散过程被认为是完成在3000秒,当温度,相当于heat-mass类比的相对浓度,达到一个恒定值。随后,材料可以被假定为饱和和平衡参数可以确定。不同的颜色代表不同的值的温度场,代表水分浓度的分布归一化对水分浓度处于平衡状态。

的结果进行后处理,估计体重增加作为时间的平方根函数图所示12。

拖拖方向扩散率正常,这等于束束方向扩散率正常,由MATLAB计算

6.2。有限元分析Carbon-Braided RUC的水分扩散

与前面的分析,收敛性研究也。融合了当时的平均温度的变化较小或等于10³2000,这对应于时间步(图13)。数值结果表明,假设两个各向同性材料给出了浓度梯度大- - - - - -飞机(图14)。一个大梯度的一个较大的值表明,近似各向同性包无效。扩散系数之间的线性组合吗和。

进行有限元分析考虑正交的包与吸收参数在表2和3。这一分析表明,水分达到平衡在90天(图15)。

7所示。讨论

有限元数值分析模拟水分carbon-braided结构中的扩散过程。图16显示实验和数值结果相对体重的百分比作为曝光时间的函数。有很好的实验趋势和数值评价之间的协议。此外,我们发现,初始水分含量影响显著的结果。考虑等于零(方程(3))的价值比实验结果大54%。

分析的第一步是确定扩散系数和水分含量的纤维束。的存在和安排纤维在吸湿性研究考虑。后扩散参数的确定,介绍了这些重复的单胞的carbon-braided复合。分析水分扩散的RUC carbon-braided复合在两种不同的方式接近。在第一个,复合材料被认为是各向同性扩散系数。在这种情况下,水分正交于纤维的方向流动。然而,分析强调的浓度梯度- - - - - -飞机,由于材料的不均匀性,不能被忽视。因此,复合建模为一个正交的材料。第二个分析证实了这种假设。图16趋势表明,有一个大区别假设牵引为各向同性或正交的,获得实验结果。各向同性假设引入了20%的平均误差和最大误差为31%。另一方面,平均误差不超过10%,最大误差小于20%,当考虑到材料是正交的。

体重增加比例较高的正交的模型比各向同性模型,由于浓度梯度- - - - - -飞机。浓度梯度,扩散系数是一个扩散系数的线性组合- - - - - -飞机。因此,在各向同性材料,向各个方向扩散系数是常数,而正交异性材料,扩散系数是一个顺序级高于另一个方向。介绍的近似假设的各向同性材料降低了精度相当。正交各向异性体模型,提高了结果的准确性,但它增加了计算时间成本大约四次对各向同性的情况。

8。结论

本研究中所开发的方法允许模拟水分扩散的过程在复合编织材料有足够近似从一组有限的实验数据。我们开发了一个分析,大大降低了所需的实验测试数量理解复合材料在潮湿环境下的行为。同时,分析大大降低设计成本和时间。商业代码有限元分析被用来估计几个小时,好的近似体重增加作为时间的函数,通常需要几个月的实验。