lcm成型工艺非饱和流动机理的数值模拟研究

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1、分类号密级UDC学校代码10497学位论文题目LCM成型工艺非饱和流动机理的数值模拟研究英文NumericalSimulationofunsaturatedflowmechanism题目toLCMProcess研究生姓名李永静姓名晏石林职称教授学位博士指导教师单位名称理学院邮编430070申请学位级别博士学科专业名称工程力学论文提交日期年月论文答辩日期年月学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席蔡元奇评阅人2016年09月ADissertationSubmittedtoWuhanUniversityofTechnologyfortheDoctor’sDeg

2、reeinEngineeringNumericalSimulationofunsaturatedflowmechanismtoLCMProcessPh.D.Candidate:LIYongjingSupervisor:Pro.YANShilinMajor:EngineeringMechanicsWuhanUniversityofTechnologyWuhan430070,Hubei,P.R.ChinaSeptember,2016独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含

3、其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名:日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并国家有关部分或机构向送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服

4、务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：摘要复合材料液体模塑成型工艺（LiquidCompositeMoulding，LCM）是一种液态树脂直接浸渍纤维预制件并固化成型的低成本制造技术，在航空航天、汽车、船舶、武器装备、运动器械等复合材料关键构件制造中得到了日益广泛的应用。高质量复合材料制品获得的关键技术是实现树脂对纤维织物的充分浸渍。建立LCM工艺的理论模型并对树脂充模过程仿真模拟，是优化工艺方案、降低成本的有效途径。然而，以纤维束编织或缝合的预制体属于一种双尺度多孔介质。近期实验发现，树脂在双尺度多孔纤维预制体中流动时存在非饱和区域，对基于假

5、定树脂流过区域为完全饱和区域的充模理论模型及模拟方法提出了挑战。本文针对树脂在双尺度多孔纤维预制件中的非饱和流动特征，深入开展LCM工艺非饱和充模过程理论与数值模拟研究。在“沉浸理论”基础上，研究沉浸函数的确定方法，建立反映非饱和填充浸润控制方程的离散格式，并研究计算方法，实现对双尺度多孔纤维预制体非饱和流动的数值模拟。对发展和完善LCM工艺充模理论、提高模拟精度、解决高性能低成本复合材料制造关键技术、优化工艺参数和控制产品质量具有重要的意义。论文的主要工作和成果如下：1）LCM工艺中树脂在双尺度多孔纤维介质中的非饱和渗流机理与理论模型研究。针对树脂在双尺度多孔纤维

6、预制件中的非饱和流动特征，根据流体力学相关理论，在沉浸理论基础上，推导沉浸函数的表达形式，并采用控制体/有限元法追踪树脂流动前沿，分别建立了微观与宏观流动控制方程的有限元格式，研究了非饱和填充浸润数值模拟时的迭代计算方法。2）树脂在纤维束内的渗透性研究。分别建立了纤维束内纤维单丝规则排列和随机排列时，树脂浸润过程的细观有限元模型，并利用有限元计算软件实现了纤维束填充浸润的数值模拟。研究了在恒定压力边界条件下，计算模型内纤维单丝的根数、纤维单丝的排列方式及纤维单丝的长度对纤维束横向和纵向渗透率的影响，进而确定了采用数值模拟方法计算纤维束横向及纵向渗透率时模型中纤维单丝

7、的根数及长度。基于Darcy定律及数值拟合工具，分别提出了纤维束横向和纵向渗透率随纤维束孔隙率变化的关系式。3）树脂在双尺度孔隙纤维织物单胞中的浸润模拟及沉浸函数确定。根据纤维预制件的周期性结构特征，分别建立了三种常见纤维织物结构（双向编织、双向缝合及三向缝合）单胞的有限元模型，实现了纤维预制件周期性结构单胞I浸润的数值模拟。研究了不同纤维编织结构、树脂黏度及注射压力对单胞填充浸润性能的影响。通过树脂对单胞细观浸润过程的数值模拟，研究分析了纤维织物周期性单胞饱和度的变化规律，进而确定了不同编织结构纤维织物填充浸润过程中沉浸函数的表达形式。4）树脂在双尺度多孔纤维