【航空学院优博微览】2022年度中国复合材料学会优秀博士学位论文获得者——刘振东

发布日期:2024年01月26日      点击:    文字:刘振东、郑锡涛  |   审核:屈峰

题目:热固性复合材料结构成型工艺及固化变形研究

Study on Curing Process and Curing Deformation of Thermoset Composites

指导教师:郑锡涛

学科:固体力学

读博感言:坚实基础,积极创新,面向实践,勇于开拓


论文选题背景与研究意义

热固性复合材料结构在制备过程中通常会受到热应变、固化收缩应变以及与模具之间的相互作用等因素的影响,在固化过程中产生残余应力,导致结构在脱模之后不可避免地产生固化变形。复合材料结构的固化变形导致强迫装配,不仅增加装配成本,也会影响复合材料结构的力学性能,成为制约大型复合材料结构在飞机结构上应用的重要因素。随着航空航天结构越来越多使用整体成型的大型复合材料结构,固化变形的问题也愈加凸显。本文选题旨在解决以下两个工业界关注的难题:(1)复合材料在固化过程中经历了从橡胶态转变为玻璃态的过程,然而传统粘弹性本构模型尚未考虑相变过程引起的变化;(2)现有复合材料固化变形控制方法难以兼顾成本与效果,亟需开发低成本的有效控制方法。

针对上述问题,本文提出复合材料橡胶态与玻璃态假设,推导了同时包含橡胶态与玻璃态的复合材料本构模型,并结合复合材料固化变形的产生机理,提出了两种新型复合材料固化变形控制的方法,为我国大型复合材料结构的高精度制造提供基础。

论文主要研究内容

针对热固性复合材料结构固化变形预报精度低,控制困难的问题,文章首先提出了一种考虑树脂橡胶态和粘弹态的三维各向异性粘弹性本构模型增量表达式,通过与目前分析固化变形的9种增量本构进行对比,残余应力分析精度居世界领先位置;随后提出了基于预应力的复合材料固化变形控制方法,并给出了预应力水平计算方法,以较低的成本有效地控制了复合材料结构的翘曲变形;最后创新性地提出了智能可控模具的概念,通过分离模具与框架的温度控制系统,实现了复合材料模具型面温度与应变的独立控制,并在试验中有效控制了复合材料的应变。上述工作为大型复合材料结构固化变形的预报与控制提供有力的支撑。

本文提出的复合材料固化过程本构模型及两种新型复合材料固化变形控制方法

论文主要创新点

1.提出了适用范围较广的复合材料粘弹性本构模型。该模型同时包含橡胶态与玻璃态的增量方程,可以分析复合材料固化的全过程;该模型的力学性能参数同时是固化度和温度的函数,因此可以使用目前大部分的材料性能模型;该模型通过引入现有主流本构模型的假设条件,可以退化为3种现有主流本构模型,因此该模型的适用范围包含这3种主流本构模型的适用范围。该模型可以分析复合材料固化过程中的力-热-化学问题,也能用于分析复合材料服役过程中的静力问题。

2.提出了复合材料结构固化变形的预应力控制方法。同时给出了基于理论分析和数值模拟的预应力水平的计算方法。该方法可以控制同时包含翘曲变形与回弹变形的混合固化变形。预应力控制方法理论上能够完全消除固化变形,试验中降低了复合材料结构80%以上的固化变形。该方法控制效果仅次于模具型面补偿,但成本较低且便于产品更迭。

3.提出了利用模具与复合材料之间的相互作用控制复合材料固化变形的技术方案。通过将框架式模具中的框架温度与型面温度解耦,提出了可控性模具的设计方案。试验表明该方案可以有效控制共固化和胶接共固化工艺下的固化变形。该方案为大型复合材料结构固化变形的主动控制提供参考。

博士论文相关工作解决了热固性复合材料固化变形研究中存在的本构方程等基础科学问题,并提出了复合材料固化变形预应力控制方法、可控性模具控制方法等创新控制方法,对于推动大型热固性复合材料固化变形预测和控制具有重要意义。该成果已经在工程单位中获得实际应用,获得应用单位好评。

代表性成果

1. Zhendong Liu, Xitao Zheng, Wenjing Fan, Fei Wang, Sohail A, Leilei Yan. An alternative method to reduce process-induced deformation of CFRP by introducing prestresses. Chinese Journal of Aeronautics. 2022, 35(8):10.

2. Zhendong Liu, Xitao Zheng, Lixiaoyuan Gao, Leilei Yan, Guolian Song, Shiquan Zhang. Comparative study on the effect of cure parameters on residual deformation for thermoset composite laminates [J]. Journal of Composite Materials, 2021;55(19):2591-2604.

3. 刘振东, 郑锡涛,范雯静,等.固化残余应力对无人机复合材料机翼强度影响[J].航空学报, 2022, 43(6):526117.

4. 刘振东, 郑锡涛, 冯雁, 张迪. 无人机全复合材料机翼结构设计与试验验证[J]. 复合材料学报, 2016, 33(05):108-116.

5. 郑锡涛, 刘振东, 梁晶. 大型复合材料构件固化变形分析方法研究进展[J]. 航空制造技术, 2015, 14: 32-35.

6. Zhendong Liu, Xitao Zheng, Guolian Song, Di Zhang, Leilei Yan. Effect of curing cycle on the strength of uav composite wing structures. 22nd International Conference on composite materials, Aug11-16, 2019 Melbourne, Australia.

7. Zhendong Liu, Xitao Zheng, Jing Liang, Di Zhang. The Effect of Process-Induced Residual Stress on the Strength of UAV Composite Wing Structures. 10th International Conference on Fracture & Strength of Solids, Aug 28-Sep 1, 2016, Tokyo, Japan.

8. 《商用飞机复合材料技术》(第四章-制造工艺),航空工业出版社, 2019.

论文研究历程

刘振东同学本、硕、博均毕业于西北工业大学。依托西北工业大学飞行器复合材料结构研究所,以国家重点型号飞机研制项目为背景,针对热固性复合材料结构固化变形问题进行了系统的研究。在前期文献调研以及与实际制造复合材料结构的相关工业部门的探讨中,凝练出现有复合材料固化过程分析本构模型的不足,确定了本构模型的改进方向;通过与工程单位的深入交流,创新性地提出了复合材料结构固化变形的预应力控制方法、可控性模具控制方法。该论文部分研究成果已在航空工程单位获得实际应用,具有重要的理论意义和工程应用价值。

在博士论文的研究过程中,导师郑锡涛教授坚实的复合材料力学理论功底以及在航空复合材料行业深厚的经验积累,为博士论文工作的构思提供了强有力的指导,同时也给博士论文工作提供了充分有力的科研条件。研究团队每周开展的工作例会中,研究团队的多位老师从不同角度出发,给论文工作提出了具有建设性的指导意见。论文在郑锡涛教授及其科研团队老师的指导下,将理论创新与工程实践相结合,提出了复合材料本构模型上的理论创新成果,以及两项复合材料固化变形的工程化创新成果,相关成果在国内航空设计研究所及制造厂获得工程化应用,得到上级机关及应用单位的充分肯定和高度评价,实现了“把论文写在祖国大地上”的目标。

博士学位论文经资格审查、函审和会评,荣获2022年度中国复合材料学会优秀博士生学位论文。

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