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隔膜材料不同温度下大变形本构模型在Abaqus中的开发及应用
王立冬,彭雄奇
上海交通大学材料科学与工程学院塑性成形与装备研究院
摘要:本文以热隔膜预成型中使用的隔膜DP1000为研究对象,基于连续介质力学中超弹性基本理论和虚
功原理,建立了描述隔膜材料在不同温度大变形条件下的本构模型,并利用Abaqus的材料子程序UHYPER
将本模型编译到软件中用于成型实验的仿真分析。首先通过单拉实验,获取隔膜材料在不同温度下的工
程应力-应变曲线,然后利用Abaqus中Evaluate功能对特定温度下材料的单向拉伸曲线使用不同的超弹
性模型进行非线性拟合,将拟合得到的应力应变曲线与试验曲线对比,最终选取Polynomial模型进行不
同温度下的工程应力-应变曲线的拟合,从而建立了任意温度下的隔膜材料的力学模型,随后进行了特定
温度下的热隔膜预成型有限元分析与验证。
关键词:本构模型;热隔膜预成型;大变形;UHYPER;Abaqus
大多数现代飞机结构件由环氧树脂预浸渍碳热隔膜成型,发现隔膜的伸长率与模具和零件形状
纤维的薄层(预浸料)堆叠成层压板构成。由于手有关,并且发现了上下隔膜的伸长率明显不同。
工铺层的成型方法非常耗时且昂贵,所以自动带铺
Monaghan和Mallon等[5-7]利用自主设计的热隔膜
叠(ATL)结合热隔膜成形(HDF)通常被认为是成型装置研究了薄膜刚度对热隔膜预成型的影响,
大型复合材料部件最具成本竞争力的制造方法[1]。
使用LVDT建立了型号Pilex-R,Upilex-S,
在聚合物复合材料的成型工艺中,热隔膜成型工艺Kapton-H和超塑性铝(Supral)四种隔膜的压力-
可以在单次成型工艺中成型出高质量的成品结构位移关系,并分析了这四种隔膜的刚度对成型件质
件,尤其适用于成型形状复杂的复合材料件。在热量的影响,得出刚度越大需要的成形力越大,然而
隔膜成型的过程中通过隔膜的张力可以有效防止可以减少成型件出现褶皱的几率的结论。随后他们
预浸料在变形过出现褶皱,撕裂和薄弱点,隔膜的通过双轴膨胀实验确定了延伸率,并使用不可压缩
性能(弹性模量,泊松比,应力-应变曲线)和工各向同性模型进行了数值仿真,与实验结果吻合很
艺参数(温度,成型速率)对热隔膜预成型有很重好;而后对聚酰亚胺隔膜在300℃到400℃的力学
要的影响。性能进行了实验研究并建立了与松弛时间有关的
隔膜变形的理论模型来源于膜理论,最初该理
本构模型。Bersee和Beukers[8]通过热隔膜成型实
论用于超塑性金属材料的成型的预测,如Jovane[2]
验,研究了压力、温度和成型速率对PI隔膜变形
建立了第一个工程模型,该模型描述了圆形的铅锡的影响,计算得到不同温度和不同速率范围的上下
薄膜在液压作用下,压力、应力、应变速率、时间隔膜的延伸率,同时得出下隔膜与成型速率无关,
和变形之间的关系,此模型的不足之处是不能描述上隔膜与成型速率有一定关系的结论。Tang和
膜的厚度变化,后来,Enikeev和Kruglov[3]通过超Lin[8]使用充气实验表征尼龙薄膜的力学性质,并
塑性钛合金的半球实验,忽略边界的影响,提出了根据膜的大变形解理论提出了一种用来计算双轴
一个可以描述厚度变化的模型。随着复合材料的普应力和应变的新方法。
遍应用,复合材料成型机理和工艺的研究越来越受热隔膜成型是一种复合材料成型方法,成形工
到研究者的关注。热隔膜成型作为最适用于成型复艺如图1所示,隔膜四周被固定到密封箱四周,预
杂复合材料制件的一种工艺方法,对其变形机理的浸料和隔膜通过一定的次序铺放好后放到加热箱
深刻理解直接关系到热隔膜成型有限元分析的准或者热压罐中,设定好加热工艺,达到设定温度后
确性,建立隔膜的有限元模型是建立热隔膜成型有通过对箱体抽真空,箱体内部形成负压,在静水压
限元仿真模型的前提,因此通过实验来研究隔膜的力的作用下,层压件被压向模具,固化后可获得高
变形行为,从而建立力学模型用于热隔膜成型中隔
质量的复合材料制件[10-14]。在热隔膜预成型过程中,
膜的变形仿真。如Mallon和Pipes[4]比较了不同形
隔膜材料给预浸料提供面内张力,隔膜的力学特性
状(半球形,方形)和成型方式(凸模、凹模)的如刚度对成型件的质量有显著的影响。本文将对热
隔膜成型过程中的隔膜进行实验研究并建立不同析软件中,实现对热隔膜成型过程中隔膜变形的仿
温度下的力学模型,将此力学模型应用到有限元分真,为热隔膜预成型的有限元分析提供了理论模型。
图1热隔膜成型工艺
1.隔膜力学性能测试
通过在万能拉力试验机对隔膜材料(DP10
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