Моделирование влияния оснастки на конечную форму изделий из полимерного композита
Автор: Козлов Михаил Владимирович, Шешенин Сергей Владимирович, Макаренко Ирина Витальевна, Белов Дмитрий Александрович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.9, 2016 года.
Бесплатный доступ
Проводится теоретическое сравнение известных механических моделей, служащих для описания процесса отверждения композита с термореактивным связующим. Демонстрируется аппроксимация в них экспериментальной зависимости модуля упругости связующего от температуры. Определяющие соотношения моделей CHILE и Сванберга реализованы в виде собственных программных модулей для пакета конечно-элементного анализа. Выполнено моделирование отверждения участка композиционного лонжерона с учетом тела оснастки. Необходимые свойства композита получены с помощью метода осреднения. Особенностью проведенного моделирования является учет механического и теплового контакта между изделием и оснасткой, меняющего свое состояние в процессе решения. Предложена модель механического взаимодействия, включающая переход от проскальзывания к прилипанию в момент гелирования связующего. Нахождение заготовки в печи задается в виде условий конвекции на суммарной свободной поверхности оснастки и изделия. Для рассматриваемого цикла отверждения построена зависимость относительной ошибки решения от величины используемого шага по времени, а также выбрано оптимальное значение этого шага с целью минимизации вычислительных затрат и сохранения приемлемой точности решения. Необходимость данного исследования обусловлена большой длительностью изучаемого процесса. Приведены результаты численного расчета отверждения участка композиционного лонжерона на оснастках из стали, инвара, алюминия и композита. Получены и проанализированы различные виды возникающих отклонений моделируемой конструкции от заданной формы. Показано, что эти искажения обусловлены как усадкой связующего в процессе полимеризации, так и тепловым расширением оснастки, которое при этом существенно сказывается на качестве изготавливаемого композита. Для материалов оснастки с большими коэффициентами теплового расширения (КТР) обнаружены более сильные искажения формы готовой конструкции по сравнению с материалами, характеризуемыми малыми КТР. Выявлено, что оснастки из инвара и композита приводят к результату, лучшему с точки зрения качества производимого на них изделия.
Пкм, композит, ламинат, оснастка, отверждение, усадка смолы, искажение формы, остаточная деформация, теоретическое исследование, численное моделирование коробления, метод конечных элементов, коэффициент теплового расширения
Короткий адрес: https://sciup.org/14320801
IDR: 14320801 | DOI: 10.7242/1999-6691/2016.9.2.13
Список литературы Моделирование влияния оснастки на конечную форму изделий из полимерного композита
- Щеглов Б.А., Сафонов А.А. Теоретические основы и прикладные задачи технологии композитов. -М.: Ленанд, 2015. -112 c.
- White S.R., Hahn H.T. Process Modeling of composite materials: residual stress development during cure. Part I. Model formulation//J. Compos. Mater. -1992. -Vol. 26, no. 16. -P. 2402-2422.
- Bogetti T.A., Gillespie J.W., Jr. Process-induced stress and deformation in thick-section thermoset composite laminates//J. Compos. Mater. -1992. -Vol. 26, no. 5. -P. 626-660.
- White S.R., Kim Y.K. Process-induced residual stress analysis of AS4/3501-6 composite material//Mech. Compos. Mater. St. -1998. -Vol. 5, no. 2. -P. 153-186.
- Zhu Q., Geubelle Ph.H., Li M., Tucker III Ch.L. Dimensional accuracy of thermoset composites: simulation of process-induced residual stresses//J. Compos. Mater. -2001. -Vol. 35, no. 24. -P. 2171-2205.
- Prasatya P., McKenna G.B., Simon S.L. A viscoelastic model for predicting isotropic residual stresses in thermosetting materials: effects of processing parameters//J. Compos. Mater. -2001. -Vol. 35, no. 10. -P. 826-848.
- Adolf D., Martin J.E. Calculation of stresses in crosslinking polymers//J. Compos. Mater. -1996. -Vol. 30, no. 1. -P. 13-34.
- Fernlund G., Rahman N., Courdji R., Bresslauer M., Poursatip A., Willden K., Nelson K. Experimental and numerical study of the effect of cure cycle, tool surface, geometry, and lay-up on the dimensional fidelity of autoclave-processed composite parts//Compos. Part A-Appl. S. -2002. -Vol. 33, no. 3. -P. 341-351.
- Sunderland P., Yu W., Manson J.-A. A thermoviscoelastic analysis of process-induced internal stresses in thermoplastic matrix composites//Polym. Composite. -2001. -Vol. 22, no. 5. -P. 579-592.
- Clifford S., Jansson N., Yu W., Michaud V., Manson J.-A. Thermoviscoelastic anisotropic analysis of process induced residual stresses and dimensional stability in real polymer matrix composite components//Compos. Part A-Appl. S. -2006. -Vol. 37, no. 4. -P. 538-545.
- Huang C.K., Yang S.Y. Study on accuracy of angled advanced composite tools//Mater. Manuf. Process. -1997. -Vol. 12, no. 3. -P. 473-486.
- Radford D.W., Rennick T.S. Separating sources of manufacturing distortion in laminated composites//J. Reinf. Plast. Comp. -2000. -Vol. 19, no. 8. -P. 621-641.
- Albert C., Fernlund G. Spring-in and warpage of angled composite laminates//Compos. Sci. Technol. -2002. -Vol. 62, no. 14. -P. 1895-1912.
- Tarsha-Kurdi K.E., Olivier P. Thermoviscoelastic analysis of residual curing stresses and the influence of autoclave pressure on these stresses in carbon/epoxy laminates//Compos. Sci. Technol. -2002. -Vol. 62, no. 4. -P. 559-565.
- Holmberg J.A. Influence of chemical shrinkage on shape distortion of RTM composites//Proceedings of the 19th International SAMPE European Conference of the Society for the Advancement of Material and Process Engineering, Paris, France, 22-24 April, 1998. -P. 621-632.
- Бегишев В.П., Матвеенко В.П., Писцов Н.В., Шардаков И.Н. Моделирование термомеханических процессов в кристаллизующемся полимере//МТТ. -1997. -№ 4. -С. 120-132.
- Завьялова Т.Г., Труфанов Н.А. Определяющие соотношения для вязкоупругого тела в условиях кристаллизации//ПМТФ. -2005. -Т. 46, № 4. -С. 78-87.
- Сметанников О.Ю. Труфанов Н.А. Численный анализ технологических и остаточных напряжений в стеклующихся телах//Вычисл. мех. сплош. сред. -2008. -Т. 1, № 1. -C. 92-108.
- Матвеенко В.П., Сметанников О.Ю., Труфанов Н.М., Шардаков И.Н. Термомеханика полимерных материалов в условиях релаксационного перехода. -М.: Физматлит, 2009. -176 c.
- Тихомирова К.А., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Численное и экспериментальное исследование термомеханического поведения стеклующихся полимеров в случае больших деформаций//Вычисл. мех. сплош. сред. -2013. -Т. 6, № 4. -C. 475-482.
- Simon S.L., McKenna G.B., Sindt O. Modeling the evolution of the dynamic mechanical properties of a commercial epoxy during cure after gelation//J. Appl. Polym. Sci. -2000. -Vol. 76, no. 4. -P. 495-508.
- Svanberg J.M. Predictions of manufacturing induced shape distortions -high performance thermoset composites/PhD Dissertation. -Lulea: Lulea University of Technology, 2002. -131 p. (URL: http://epubl.ltu.se/1402-1544/2002/40/LTU-DT-0240-SE.pdf).
- Belov D.A. Makarenko I.V., Dunaev A.V., Babkin A.V., Solopchenko A.V., Yablokova M.Y., Kepman A.V., Tretyakov A.V., Ulyanov A.V., Gromashev A.G. Curing processes simulation of complex shape carbon fiber reinforced composite components produced by vacuum infusion//Polym. Composite. -2015.
- Zarrelli M., Partridge I.K., D’Amore A. Warpage induced in bi-material specimens: Coefficient of thermal expansion, chemical shrinkage and viscoelastic modulus evolution during cure//Compos. Part A-Appl. S. -2006. -Vol. 37, no. 4. -P. 565-570.
- Johnston A., Vaziri R., Poursartip A. A plane strain model for process-induced deformation of laminated composite structures//J. Compos. Mater. -2001. -Vol. 35, no. 16. -P. 1435-1469.
- Zobeiry N. Viscoelastic constitutive models for evaluation of residual stresses in thermoset composites during cure/PhD Dissertation. -Vancouver: The University of British Columbia, 2006. -276 p.
- Causse P., Ruiz E., Trochu F. Spring-in behavior of curved composites manufactured by Flexible Injection//Compos. Part A-Appl. S. -2012. -Vol. 43, no. 11. -P. 1901-1913.
- Ушаков А.Е., Сафонов А.А., Сергеичев И.В., Константинов А.Ю., Антонов Ф.К. Моделирование технологических деформаций конструкционных элементов из композитных материалов//Проблемы машиностроения и надежности машин. -2014. -№ 1. -C. 46-52.
- Nielsen M.W., Hattel J.H., Andersen T.L., Branner K., Nielsen P.H. Experimental determination and numerical modelling of process induced strains and residual stresses in thick glass/epoxy laminate//Proceedings of the 15th European Conference on Composite Materials (ECCM 15), 24-28 June, 2012, Venice, Italy. -1 USB, 2012. -6 p.
- Kim Y.K., White S.R. Viscoelastic analysis of processing-induced residual stresses in thick composite laminates//Mechanics of Advanced Materials and Structures. -1997. -Vol. 4, no. 4. -P. 361-387.
- Yi S., Hilton H.H., Ahmad M.F. Cure-cycle simulations of composites with temperature-and cure-dependent anisotropic viscoelastic properties and stochastic delaminations//Mechanics of Advanced Materials and Structures. -1998. -Vol. 5, no. 1. -P. 81-101.
- Hwang H.Y., Kim Y.K., Kwon Y.D., Choi W. Thermo-viscoelastic residual stress analysis of metal liner-inserted composite cylinders//KSME International Journal. -2003. -Vol. 17, no. 2. -P. 171-180.
- Zocher M.A., Groves S.E., Allen D.H. A three-dimensional finite element formulation for thermoviscoelastic orthotropic media//Int. J. Numer. Meth. Eng. -1997. -Vol. 40, no. 12. -P. 2267-2288.
- D’Amato E. Numerical modeling and experimental studies for shape and dimensional control in the curing process of textile composites//Compos. Struct. -2007. -Vol. 81, no. 1. -P. 11-20.
- Huang X., Gillespie J.W., Bogetti T. Process induced stress for woven fabric thick section composite structures//Compos. Struct. -2000. -Vol. 49, no. 3. -P. 303-312.
- Jun L., Feng Y.X., Hua L.Y., Zhi C.Z., Jun K.Z., Cai H.X., Di D. Thermo-viscoelastic analysis of the integrated T-shaped composite structures//Compos. Sci. Technol. -2010. -Vol. 70, no. 10. -P. 1497-1503.
- Mulle M., Collombet F., Olivier P., Grunevald Y.-H. Assessment of cure residual strains through the thickness of carbon-epoxy laminates using FBGs, Part I: Elementary specimen//Compos. Part A-Appl. S. -2009. -Vol. 40, no. 1. -P. 94-104.
- Константинов А.Ю., Сафонов А.А. Математическое моделирование остаточных технологических деформаций при пултрузии профилей сложного сечения из полимерных композиционных материалов//Проблемы прочности и пластичности. -2014. -Т. 76, № 4. -C. 310-319.
- Fernlund G., Osooly A., Poursartip A., Vaziri R., Courdji R., Nelson K., George P., Hendrickson L., Griffith J. Finite element based prediction of process-induced deformation of autoclaved composite structures using 2D process analysis and 3D structural analysis//Compos. Struct. -2003. -Vol. 62, no. 2. -P. 223-234.
- Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. -М: Изд-во Моск. ун-та, 1984. -336 с.
- Semmler E., Michaeli W., Maurer S. Simulation of shrinkage and warpage for complex compression-moulded parts with reinforced thermoplastic material//Proceedings of the 42nd International SAMPE Symposium and Exhibition, Anaheim, California, May 4-8, 1997. -Vol. 42. -P. 1426-1438.
