（翻译整理：陈文 编辑校对：张鑫）
由于高性能聚合物基复合材料（PMC）具有高比强度、抗腐蚀性能优异以及低耗能的优势，被广泛应用于航空航天领域。复合材料在高温高压热压罐固化成型期间涉及多个复杂的热化学反应。虽然固化过程赋予复合材料一定的强度和刚度，但在冷却之后还会有残余热应力。造成残余热应力的因素有很多个，例如在固化过程中树脂从液体变为橡胶态最终达到固态，复合材料机械性能的变化；其他因素还包括固化过程化学反应造成的收缩、热膨胀和收缩，零件和工装间的相互作用，温度和固化程度，层压板的厚度，铺层顺序以及层压板的形状等等。脱模后，零件的残余应力释放将会导致变形。这种仅由固化工艺引起的变形称为固化变形或PID（process-induced deformations）。在航空制造领域，固化变形是结构设计和制造阶段重要的挑战之一，因此亟需一种工艺模型方法为工装设计提供最优输入并应用到实际生产中，从而减少工装设计的反复迭代成本。
以往的研究大多数是针对单向带层合板的回弹预测，极少数是研究织物预浸料夹层结构的固化变形。夹层结构是许多飞机结构减重的首选设计理念，因为芯材可以取代额外的结构性铺层。此外，非对称铺层的夹层板设计（内部需要多种厚度的铺层）会在产生翘曲，从而使不同结构部件的组装更具挑战性。
为了研究非对称铺层设计夹层板及其固化变形规律。Khalifa University of Science and Technology的K.A. Khan（通讯作者）团队在《Composite Part A》上发表了题为 “Process induced deformations in composite sandwich panels using an inhomogeneous layup design” 的文章，研究了非对称铺层的平板夹芯板翘曲情况并通过ABAQUS/COMPRO有限元模型仿真固化变形情况，并用验证后的模型分析不同的工装材料和芯材对平板夹芯板翘曲和回弹值的影响程度。
该研究使用厚度为0.28毫米的AS4 / HEXPLY 8552碳纤维（CFRP 8552S-37％-AGP280）和具有3.2厚度的NOMEX六角形芯（HONEY P 3.2_48.0_25.9）制造非对称平板夹芯板，图1为非对称铺层平板的铺层示意图，表1为平板夹芯板的铺层顺序表。图2为热电偶布置示意图，监控夹芯板在固化过程中温度的变化情况。
图1 （a）层板铺层区域的2D示意图（b）各个区域的铺层数
表1 平板夹芯板的铺层顺序表
图2 （a）热电偶布置示意图（b）16个嵌入夹层板中的热电偶（c）热电偶标记示意图
采用图3所示的固化曲线对对夹层板进行热压罐固化，脱模后使用塞尺测量夹层板四周边缘与平板工装的间隙。结果表明最大翘曲在#2位置，即铺层数为4的区域，最大值为2.24mm，如图4所示。
图3 供应商推荐固化曲线
图4 （a）四周边缘的变形测量（b）最大变形位置示意图
随后该研究利用ABAQUS/COMPRO软件对夹层板进行热-化学-应力耦合作用的变形分析并预测固化变形规律，如图5和表2所示，结果表明在18层铺层区域预测值对比实测值偏低46%，而最大翘曲位置则仅偏低2%。
图5 夹芯板的翘曲示意图
表2 夹芯板四周边缘实测和有限元预测的翘曲值对比
之后该研究利用有限元模型分析工装材质和不同芯材对平板夹芯板的翘曲影响，其中工装材质分为铝制、Invar钢材质以及复合材料，芯材分为铝蜂窝和Nomex纸蜂窝，图6为三种不同工装材料和2种不同芯材的翘曲程度对比。结果表明铝制工装的翘曲程度最小，复合材料工装的翘曲程度最大；Nomex纸蜂窝的翘曲程度大于铝蜂窝，推测是由于铝蜂窝芯格抗弯性能好。
图6 工装材料和芯材对平板翘曲的影响对比
总之，本文从试验和仿真两方面研究了非对称铺层设计夹芯板的固化变形规律，其中热化学和应力的变形仿真为热传导和固化过程带来新的研究思路，不仅是工装材料和芯材对固化变形的影响，还需进一步研究其他因素对其影响。
参考文献：
Al-Dhaheri M , Khan K A , Umer R , et al. Process Induced Deformations in Composite Sandwich Panels using an In-homogeneous Layup Design[J]. Composites Part A Applied ence and Manufacturing, 2020, 137:106020.
（感谢陈文同学投稿！）
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
