T300AG80复合材料U形结构件成型残余应力的有限元模拟-USB迷|专注于互联网分享

2024年4月10日发(作者：雪紫夏)

MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING

2021 年

2 月第

45 卷第

2 期

〇丨

45 No. 2 Feb. 2021

1X)I： 10.11973/jxgccl202102015

T300/AG80复合材料U形结构件成型残余应力的

有限元模拟

杨康闫照为梁宇

2,王吉1>2, 丁文喜1

(1.沈阳航空航天大学辽宁省通用航空重点实验室.沈阳110136;2.辽宁通用航空研究院设计部，沈阳110136)

摘要

：利用

ABAQUS

有限元软件建立

300碳纤维增强

80环氧树脂（

300/

80)复合

材料

形薄壁结构件模型•研究了热压固化成型过程中的应力和回弹变形量（同步模拟脱模）变化

以及脱模后的残余应力分布，通过小孔试验法对残余应力模拟结果进行了验证。结果表明：成型过

程中，

形结构件侧壁和底面的应力和回弹变形量均随时间延长而增加；随着距底面距离或距对

称中心距离的增大，应力和回弹变形量增大；脱模后，

形结构件对称中心处的残余应力最小，残

余应力随着距底面距离或距对称中心距离的增大而增大；脱模前后释放的残余应力越大，回弹变形

量越大；小孔法测得的残余应力与模拟结果的相对误差小于10% ,说明模拟结果较准确。

关键词

：树脂基复合材料；固化成型；残余应力；

ABAQUS

软件；小孔法

中图分类号：

V214.8

文献标志码

：A

文章编号：

1000-3738(2021)02-0085-05

Finite Element Simulation of Molding Residual Stress of T300/AG80

Composite U-shaped Structure Part

YANG

Kang

1 2,

YAN

Zhaowei

LIANG

' 2,

WANG

1 2,

DING

Wenxi

(1. Liaoning Key Laboratory of General Aviation, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China

；

2. Design Department, Liaoning General Aviation Academy, Shenyang 110136, China)

Abstract

：

A U-shaped thin-walled structure part model of T300 carbon fiber reinforced AG80 epoxy resin

(T300/AG80) composite was established by ABAQUS finite element software. The stress and spring back amount

(synchronous demolding by simulation) changes during hot-press curing molding and the residual stress distribution

after demolding were studied. The simulation of residual stress was verified by the small-hole test method. The

results show that during the molding process, the stress and springback amount of the side wall and bottom surface

of the U-shaped structure part increased with time. The stress and springback amount increased with the distance

from the bottom surface or the distance from the center of symmetry. After demolding, the residual stress at the

center of symmetry of the U-shaped structure part was the smallest, and the residual stress increased with the

distance from the bottom surface or the distance from the center of symmetry. The greater the residual stress

released before and after demolding, the greater the springback amount. The relative error between the residual

stress measured by the small-hole method and the simulation was less than 10%，indicating the simulation was

accurate.

Key

words

：

plasticvS composite

；

curing molding

；

residual stress

；

ABAQUS

software

；

small-hole method

〇引言

纤维增强树脂基复合材料具有优异的综合性

能，广泛应用于大型民用飞机结构。然而，在热压

收稿日期：

2020-02-20;

修订日期：

2021-01-12

作者简介

杨康

（1988 —

），男

湖北黄冈人，工程师.硕士

通信作者：梁宇丁.程师

固化成型过程中，工艺温度和降温速率较高，纤维

增强体和树脂基体之间热膨胀系数不匹配、铺层

间各向异性和温度梯度大等因素会导致成型后结

构件中存在残余应力；残余应力会直接影响结构

件的力学性能，并可能导致脱模后的结构件发生

回弹变形，增加装配难度，甚至使结构件报废。为

此，国内外研究人员在复合材料残余应力分析和

杨康，等：

300/

80复合材料

形结构件成型残余应力的有限元模拟

MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING

测试方面开展了大量研究，并取得了丰富的成

果[16]。杨永正等M率先提出通过一维表面光栅

衍射光强分布与表面应变之间的理论关系，利用

弹性理论求解残余应力的方法。〇£1'«^等[5]研

究了基体老化和冷却时间对单向石墨纤维/聚酰

亚胺复合材料残余应力的影响，结果表明高温对

残余应力的产生有着显著的影响；

DANIEL

等[6]

将应变片埋在对称层合板内部，测定应变变化并

计算出层合板的残余应力，分析了铺层方式和顺

序对残余应力的影响，并发现残余应力容易导致

层合板发生横向断裂。

目前，带曲率或者大曲率薄壁结构(

形、

形等结构)在民用飞机结构设计中得到广泛应用，

准确预测结构件固化后的残余应力对结构设计有着

重要意义。具有大型复杂曲面复合材料结构件的残

余应力预测主要采用理论计算[1'〜和无损检测[1’4]

两种方法进行;小孔检测法由于对结构具有一定的

破坏性，并且实施步骤较为繁琐，实际应用研究相对

很少[9]。作者利用

ABAQUS

有限元分析软件，以

整体化成型

300碳纤维增强

80环氧树脂

(

300/

80)复合材料

形结构件为研究对象，分

析了该结构件固化成型过程中的应力和回弹变形量

变化，以及脱模后的残余应力，并通过小孔法测定等

比例结构件的残余应力对模拟结果进行了验证。

1试样制备与试验方法

1.1试样制备

试验材料为

300碳纤维增强

80环氧树脂

(

300/

80)复合材料，由山东威海光威复合材料

有限公司提供。

300碳纤维编织布和

80环氧树

脂按质量比1:1.2进行配比，并采用手糊成型工艺进

行铺层，铺层方式为[〇/90]5。在普通碳钢模具中进

行热压固化成形，模具横截面尺寸见图1，热压罐型号

为

2011-04,固化工艺为40

min

升温至80 °

，保温

min

后升温至130 °

，保温60

min

后，在60

min

内

降至室温，成型压力为0.2

MPa

。脱模前，使用风笔、

角磨机等工具沿模具边缘棱线将成型件多余边缘修

^________

_______^

图

模具横截面尺寸

Fig. 1 Mould cross section size

掉;脱模后对成型件表面进行除尘处理。成型后复合

材料

形结构件的尺寸见图2，壁厚为2

。

对称面j

C«

RIO

厂

；

160

|320

(a)横截面尺寸及测试点位置

•----------<

------

-----<

-----

»--------------------------------------

对称中心

400

806

1200

3000

(b)底面尺寸及测试点位置

图

复合材料U形结构件的几何尺寸及应变测试点位置

Fig. 2 Geometric dimension and strain test point location of

composite U-shaped structure part: (a) cross-section size

and test point location and (b) bottom surface size and test

point location

1.2试验方法

采用小孔法测试残余应力。使用丙酮清洁测试

区域表面，将应变片粘贴在测试点周围，测试点位置

如图2所示，布片方法及受力情况见图3。图中：相

同截面处的应变片粘贴方向保持一致;

分别为小孔位置处沿方向上的应力。

在应变花中心钻一小孔，钻孔深度为1.5

，孔径

为2

,采用

3820型静态应力应变测试分析

系统采集应变，应变片采用

350-5

(11)

-X

型电阻应变计，电阻值为（349.9±0.2)

，灵敏系数

为 2.10

(1±1%)。

采用图3

)所示的布片方式，测得各方向上的

释放应变读数为，

2，

3，则残余应力计算公式为

~A+B

A-B

£i

-c

£2

(1)

A-B

A+B

(a)布片方式（b)受力示意

图3应变片布片方式和小孔周围受力示意

Fig.3 Schematic of strain gauge placement method (a) and

stress around hole (b)

MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING

杨康.等：

300/

80复合材料

形结构件成型残余应力的有限元模拟

式中:

，

为释放系数。

采用试验方法标定释放系数.得到的释放系

数矩阵为

A+B

A-B

疏。在笛卡尔坐标系中.根据三维傅立叶热传导控

制方程建立热-化学模型的边界条件:在分析结

构件脱模前的应力分布时，利用

ABAQUS

软件中

的热-固耦合模块对分析模型施加温度场、位移约束

0.131 393'

(2)

—0.579 750_

和压力场.相关的参数设置与实际的工艺条件保持

一致;在分析脱模后的应力分布时.改变位移约束并

取消压力场。使用

ABAQUS

Standard

求解器计

算复合材料结构件的变形场和应力分布。

-c

A-B

A+B_

0.332 47

0.189 25

-0.119 87 0.586 85 -0.166 170

小孔位置处的最大主应力计算公式为

中±V(〒)+(¥)2 (3)

将各测试点的应变测试值和释放系数矩阵代人

式⑴，得到小孔位置处的应力，再代入式

(3)，即可得到小孔位置处的最大主应力。

图4复合材料

形结构件模型及网格划分

mesh generation

2复合材料U形结构件建模

将复合材料

形结构件的几何尺寸导入到有

Fig. 4 Composite I T-shaped structure part model and

300/

80复合材料的密度为0. 041

•

3、热导率为0.041

—热膨胀系数为

1.22

XKT

—比热容为 879

—1;力学性

能见表1。表中：

.£22分别为

方向的弹性

模量;

12，

1:<，

23分别为，_

，

模量;

12，1^分

•r ,_y，z

限元分析软件

ABAQUS

中，输出有限元分析模型；

采用8节点

Heat

transfer

单元划分网格.单元总数

为5 054,节点数为21 357。建立的有限元模型及其

网格划分如阁4所示。为了保证计算精度，

形件

弯曲尺角及应变测试点处的网格划分得非常细密;

为了缩短计算周期，其他区域的网格划分得比较稀

方向的剪切

别为，

jyz

方向的泊松比。

为笛卡尔坐标系中的坐标方向。

表1 T300/A(;80复合材料的力学性能

Table 1 Mechanical properties of T300/AC80 composite

En/MPa

2.52X105

E22/MPa

0.25X105

G12/MPa

1.602X104

G13/MPa

1.602X10*

/MPa

0.774X10'

0.250.25

y23

0.279

3残余应力模拟结果与试验验证

延长而增大，且增大趋势逐渐变缓；当时间延长至

100

min

、进入保温和降温阶段时，应力和回弹变形

量趋于稳定。在

形结构件对称中心横截面上，侧

壁上(

点、

点）的应力和回弹变形量均高于

底面对称中心

点处的，并且随着距底面距离的增

3.0

2.5

：2.0

^ 1.5

►

点

，0点

—

点

3.1残余应力模拟结果

由图5可知：在成型过程中，

形结构件不同

位置处的应力和回弹变形量（同步模拟脱模)随时间

〇-

点

M ■* ■* < ■*

墼1.0

—0.5

0.0

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

时间/min

(a)应力变化(b)回弹变形量变化

图

5 U

形结构件成型时不同测试点处的应力和回弹变形量变化模拟结果

Fig.5 Simulation of stress (a) and springhack amount (b) changes at different test points during molding of I'-shaped structure part

机械工程材料

MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING

杨康.等：

300/

80复合材料

形结构件成型残余应力的有限元模拟

大，应力和回弹变形量增大，

点处应力和回弹变形

量最大;在

形结构件对称中心纵向底面上（

点、

底面距离的增大而增大，底面中轴线上的残余应力

随着距对称中心距离的增加而增大.

点和

点处

的残余应力均较大，分别为2.422,2.187

MPa

;脱模

后，侧壁上各点释放的应力（应力差值)小于底面上

各点(除了

点外）释放的，

点释放的应力最小，

为0.148

MPa

，

点和

点释放的应力分别为0.

363,0.503

MPa

,释放应力随着距对称中心距离的增

大而增大。由上述结果可知，在对称中心横截面位

置处，由于

点释放了更多的应力，该点相对于横

截面其他测试点的回弹变形量最大;对比图5(

)和

图6(

)可知，释放应力越大，回弹变形量越大。

点、

点），随着距对称中心横截面距离的增

大，应力和回弹变形量增大,

点处的应力和回弹变

形量最大;对比侧壁和底面的应力，未发现明显的大

小关系；除

点外，底面上各点的回弹变形量均大

于侧壁上的，应力最小的

点以及应力较大的

点、

点的回弹变形量分别为

0. 295，1.254，2.719

mm。

由图6可以看出:脱模后

形结构件各测试点

的残余应力与脱模前各测试点的应力对应，对称中

心

点的残余应力最小，侧壁上的残余应力随着距

3.0 r

0.6 r

0..5

测试点

)残余应力

图

)应力差值

脱模后

形结构件不同测试点处的残余应力及脱模前后应力差值模拟结果

Fig.6 Simulation of residual stress at different test points after demolding (a) and stress difference before and

after deniolding (b) of ll-shaped structure part

3.2试验验证

试验过程中打孔位置与模拟测试点位置一致，

由表2可知，由小孔试验测得的残余应力和有限元

模拟结果相差较小，相对误差在10%以内，二者具

有较好的一致性。

表2残余应力试验结果和模拟结果的对比

Table 2 Comparison of test results and simulation of

residual stress

残余应力/MPa

测试点

205

-326

-545

330

496

464

_655

回弹变形量均随时间延长而增加，并且随着距底

面距离或距对称中心面距离的增大，应力和回弹

变形量增大。

(2) 脱模后，

形结构件对称中心处的残余应

力最小，残余应力随着距底面距离或距对称中心

距离的增大而增大；脱模前后释放的残余应力越

大，回弹变形量越大。

(3) 采用小孔法测得的不同测试点处的残余应

力与模拟结果相近，相对误差均小于10 %

拟结果较准确。

参考文献：

[

] 杨博，薛忠民，阿茹娜.等.聚合物基复合材料残余应力的研

，

说明模

401

-700

-508

237

475

688

相对误差/

试验值

1.025

1.754

2.279

1.325

2.085

2.141

2.398

模拟值

0.986

1.630

2.357

1.220

3.8

7.1

3.4

7.9

9.1

2.1

1.0

129

-324

-140

-16

112

1.896

2.187

2.422

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237

145-174

4结论

(1)建立

300/

80复合材料

形结构件

WANG C C, YUE G Q, ZHANG J Z, et al. Formation and

test methods of the thermo-residual stresses of the

模型，模拟得到成型过程中侧壁和底面的应力和

,2021

〇机械工程材料

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80复合材料

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