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杨文凯博士答辩公告

时间:2020-10-15来源:机电学院点击:213

答辩博士:杨文凯

指导老师:鲁世红教授

论文题目:基于非等温条件下RTM工艺过程与缺陷预测研究

答辩委员会

主席:楼佩煌 博导/教授 南京航空航天大学

委员:贾民平 博导/教授 东南大学

   王禹林  博导/教授 南京理工大学

   戴耀东  博导/教授 南京航空航天大学

   王小平  博导/教授 南京航空航天大学

秘书:张  讲师 南京航空航天大学

答辩时间2020101914:00-16:00

地点:南航明故宫校区15号楼341

 

学位论文简介

近年来,航空航天等先进制造领域对先进复合材料需求迫切,树脂转移模塑成型Resin Transfer Molding, RTM具有低成本、高效率、绿色环保等优点,已迅速发展成为先进复合材料制造的主导工艺之一。现阶段针对非等温条件下RTM工艺过程的理论研究相对较少,理论体系尚不完善,难以对工艺过程提供有效的理论指导;传统加热制度大多依靠经验设定,极易导致树脂过早凝胶、制件内部温度梯度和固化度梯度过大等问题;作为一种闭模成型工艺,其中典型的干斑以及气泡缺陷在非等温条件下的形成预测技术尚不成熟,工艺设计成本高、周期长;以上问题已经成为制约RTM工艺进一步发展的重要瓶颈。

本文采用理论分析、数值仿真与实验研究相结合的方法,对非等温条件下RTM充模及固化过程进行了深入研究,本文的主要研究工作如下:

1)开发了基于三维流场-三维温度场-三维化学场多场耦合条件下的非等温RTM充模以及固化过程数值仿真程序。自主设计并搭建了非等温RTM充模固化过程实验平台,将实验数据与仿真结果进行对比验证了本文二次开发程序的可靠性。

2揭示了RTM工艺过程重要参数在非等温条件下的变化规律。以本文自主二次开发的程序为研究工具,利用大量数据揭示了三维多场耦合条件下的非等温RTM充模过程和固化过程中温度、固化度、黏度以及流体压强在模具温度以及注射树脂温度共同作用下的变化规律,为工艺过程参数优化提供理论指导。

3)探究了RTM工艺过程的加热制度优化方法。该方法通过优化设计充模过程初始温度以及工艺过程中加热曲线,能够保证充模过程中树脂处于较低黏度且不发生凝胶,并且有效降低了RTM工艺中产生的三维热梯度,通过对不同三维形状制件以及不同种类树脂体系进行研究,验证了本文优化加热制度的有效性。

4提出了非等温条件以及边缘效应下干斑形成预测方法。通过流动实验与仿真数据对比验证了干斑形成预测方法的可靠性。

5)建立了非等温下RTM充模过程中气泡形成预测模型。重点分析了温度对于气泡形成的影响;通过实验验证了气泡形成预测模型的准确性。

主要创新点如下

本论文研究的主要创新性工作如下:

1基于边缘效应以及非等温条件提出了RTM充模过程干斑形成预测方法,充分考虑了平纹织物边缘由于纱线脱落带来的渗透率变化问题,通过建立预成型体边缘区域单胞模型计算得到边缘渗透率,将流动区域划分为间隙区域、边缘区域以及中心区域并设定不同区域渗透率,通过计算能量方程、树脂化学反应方程以及流动方程实现了干斑形成的精确预测。

2基于非等温条件建立了RTM充模过程气泡形成预测模型,该模型中通过分析树脂在纤维预成型体中的微观以及细观流动来判断气泡形成,并将非等温条件下树脂表面张力模型、局部热平衡方程、树脂黏度方程、固化反应方程与微观以及细观流动方程进行联立求解获得气泡尺寸和含量,实现了非等温条件下气泡形成的精确预测。

3)基于树脂化学流变学、多孔介质流动理论及RTM工艺过程能量理论提出了一种三维制件的RTM充模以及固化过程加热制度优化方法,该方法通过对三维制件的初始温度以及模具、注射树脂加热曲线进行优化设计,在保证充模过程能够顺利进行的同时,更有效降低了RTM工艺过程中产生的温度梯度和固化度梯度,为加热制度设计提供重要参考。

4)基于三维非等温条件揭示了RTM充模以及固化过程中温度、固化度、黏度、压强等重要参数在模具温度以及注射树脂温度共同作用下的变化规律,丰富了非等温RTM工艺过程的理论研究,为工艺参数优化设计奠定了理论基础。

 

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