碳纖維增強聚合物基復合材料拉擠工藝數(shù)值模擬與優(yōu)化.pdf

1、碳纖維增強聚合物基復合材料（CFRP）屬先進復合材料（ACM）。拉擠工藝是復合材料的重要成型工藝之一，具有可生產(chǎn)任意長度的異型截面制品，工藝過程連續(xù)，生產(chǎn)率和原料利用率高等特點。其制品具有縱向比強度比模量數(shù)倍于鋼的優(yōu)異性能，在石油、航天、建筑、化工等領域得到了廣泛應用。目前工業(yè)拉擠成型工藝參數(shù)（模具加熱溫度、拉擠速度等）是根據(jù)經(jīng)驗或“試湊性試驗”確定的，周期長，耗時費力且科學性不足，產(chǎn)品質(zhì)量可靠性、生產(chǎn)率和能耗都不盡理想。因此，本文對C

2、FRP拉擠成型工藝過程進行數(shù)值模擬、優(yōu)化和試驗研究。
　　在拉擠成型過程中，復合材料相對于模具始終呈運動狀態(tài)，這是有別于其它成型工藝的獨具特點。根據(jù)熱傳導和聚合物反應動力學原理建立了帶內(nèi)熱源的二維非穩(wěn)態(tài)熱傳導與樹脂固化動力學模型。其中溫度與固化度是一對強耦合關系，求解困難。通過差示掃描量熱（DSC）試驗，回歸分析計算出環(huán)氧樹脂基體的固化動力學參數(shù)。應用有限元與有限差分法相結(jié)合，在空間上有限單元化，在時間域上有限差分，并用ANSYS

3、求解耦合場的間接解耦法編制程序，模擬得到不同工況復合材料內(nèi)部溫度與固化度實時動態(tài)狀況，為拉擠工藝優(yōu)化奠定了基礎。
　　為了驗證數(shù)值模擬程序的可靠性，分別對拉擠過程中復合材料內(nèi)動態(tài)溫度和固化度進行了試驗檢測。專門設計制備一種金屬毛細管封裝的光纖布拉格光柵傳感器，并對其溫度傳感特性表征和靈敏度系數(shù)進行了試驗標定，有效屏蔽了拉擠過程中牽引荷載效應和樹脂固化收縮應變的干擾，實現(xiàn)對CFRP拉擠工藝全程溫度的動態(tài)實時檢測。試驗結(jié)果與模擬結(jié)果基

4、本一致。在固化度方面，采用索氏萃取法對剛出模具的拉擠制品進行固化度檢測，測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，驗證了數(shù)值模擬程序的可靠性。
　　應用所編制的并經(jīng)實驗驗證的數(shù)值模擬程序，模擬出大量樣本數(shù)據(jù)訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡，得到了不同工況拉擠工藝參數(shù)（模具加熱溫度、拉擠速度）與產(chǎn)品質(zhì)量（復合材料固化度）間可供計算的映射關系。不僅大大減少了耗時費力的試驗，且為工藝參數(shù)的優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。
　　應用國際新近出現(xiàn)的第二代非支配排序遺傳算法