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综述一、复合材料简介复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。在近四十年，由于高比强度，高比模量，低重量，耐腐蚀和高设计自由度等优点，先进复合材料已经被广泛应用在航空航天、医疗机械、汽车等领域中。特别是在航空航天领域，为了实现轻量化和高力学性能要求，人们正大量的把复合材料应用在飞机的重要结构中。在当前的国内外制造业内，复合材料的研究成果与应用情况一定程度上体现了国家的科研水平。无人机作为现代航空领域发展的热点,尽可能的减小其质量,才能让它达到低成本、低能耗、高机动的目标，于是质量较小且具多种优良力学性能的复合材料获得了广大工程师的青睐。航空技术不断革新,复合材料在飞机上的应用也从次承力结构慢慢发展到了主承力结构上，因此，时代不断对复合材料构件提出新的要求。在航空航天领域中，复合材料构件一般的制造工艺方法是热压罐固化成型。很多学者正努力改进复合材料热压罐固化工艺，旨在开发出低成本、高效率的生产技术，以适应时代要求。为了使成型精度更高，所得构件的力学性能更好，复合材料构件的生产工艺往往会被高频重复设计，然而过频调整或更换设备会让制造维护成本迅速提升。目前，复合材料的应用虽然广泛，但仍被很多原因限制，其中一个主要的难题就是如何减小固化变形。二、热压罐成型工艺简介树脂基纤维增强复合材料的成型方法很多，主要分为纤维预浸成型和预成形件树脂转移模塑成型两大方向，热压罐固化成型是纤维预浸成型方向下的一种方法，通过该法成型的复合材料构件具有力学性能良好、尺寸一致性较高、纤维体积分数高等优点，故该法已成为当下复合材料领域主要采用的成型方法。热压罐成型的基本原理是把树脂预浸后的纤维按要求与辅助成型材料一起铺层在模具上，使用真空袋将其密封，再放进热压罐，按照方案中的固化工艺，通过加温、加压、保温、降温、卸压等过程，完成树脂固化反应，得到成形的复合材料构件。其中树脂的固化反应会放出不能忽略的热量，将大大影响到构件内部的温度场和固化度场分布，使构件内积累残余应力，最后脱离模具后，通过变形的方式释放。在热压罐固化工艺过程中，树脂会发生固化交联反应并放出热量。常温下树脂呈液态，当温度升到凝胶温度后，树脂变成橡胶态，进一步升温达到最终玻璃化温度后，树脂又变成玻璃态。树脂的状态转变往往会引起材料特性的迅速变化，故对其进行定量研究十分必要。固化过程中树脂发生交联反应的程度常用固化度描述，在对固化度场的研究中，常定义常温下的固化度为0，固化度和玻璃转化温度一样，都会随交联反应的进行而升高。三、复合材料的固化变形及控制方法（作者留：这是我的本科毕业设计论文综述，毕业论文题目为“基于ANSYS的无人机复合材料固化变形分析与优化”，知网查重得到的重复率为百分之九点几，论文资料包括翻译答辩ppt实习报告等，全套都在。联系我请直接私信给上传本文的百度账号。）复合材料构件在经历一定工艺条件下的固化成型过程后，受物质的热胀冷缩效应、树脂的化学收缩放热反应和复合材料与成型模具材料之间的热膨胀系数差异等因素影响，积累了残余应力，脱模后在室温下的自由形状与期望的形状之间产生了不一致，称之为固化变形。生产中若是忽略了对固化变形的控制，将导致尺寸误差过大和匹配精度降低。在航空领域中，复合材料应用的主要障碍就是高精度工装设计技术不够成熟，变形容易超出误差允许范围，构件成型精度不高。为热压成型过程中引起的变形找到有效的控制方法是十分复杂的工作。传统复合材料构件的变形控制过程，是当构件发现装配等问题时，为了使成型后构件精度更高，利用“试验和错误”的方法，对模具参数不断调试，或是不断调整工艺方案，基于模具补偿和对固化过程的优化，使残余应力和复合材料部件的变形减小到一定程度。然而，使用传统方法来消除复合元件的变形是昂贵和耗时的，而其结果往往也只能用于一个独特的元件。当前固化变形问题的低成本解决方向，就是提出一套合理、高效、相对准确的分析预测补偿方法来取代重复实验。基于有限元原理，使用有限元分析软件对复合材料构件的固化变形过程中的关键数据进行模拟运算，并据此分析预测可能引起的变形，而后通过优化模具或工艺对变形做出合理补偿。重复有限元模拟分析和优化补偿变形的过程直到构件形状达到精度要求，可以大大缩短研发周期，提高制造效率，减少材料消耗，从而大幅降低成本。四、国内外研究现状随着复合材料的兴起，人们对成型精度和制造成本的要求日益苛刻。传统控制变形的方法是利用经验和反复试验，优化工艺或对模具型面进行修改，精度倒能在反复试验和优化的过程中越来越高，但这种方法耗时长，耗材多，且不具有普适性。于是，对复合材料固化变形的预测与补偿成为了很多学者的研究方向，也由此出现了很多奠基性的成果。然而固化变形过程十分复杂，温度、树脂的化学收缩率、纤维的体积分数、铺层的角度和顺序、降温速率等很多参数都能影响到构件的固化变形，所以综合考虑更多的影响因素，提出对复杂构件更具有普适性的固化变形预测补偿方法，仍具有十分重要的意义。复合材料的历史不长，但国外很早就开始了对复合材料的探索。上世纪八十年代初，Hyer等就通过严谨的科学实验，证实了采用非对称铺层方式的层合板在固化变形后形成的形状并非经典层合板理论中预测的鞍形，而是圆筒形，并据此证明对层合板的固化变形分析与预测不能忽略几何非线性的影响，然后建立了一个新的模型。根据能量守恒定律，Hyer等人成功预测出正交非对称层合板的变形情况，并提出层合板的变形行为与板的尺寸大小联系紧密。Loos等在对层合板固化成型的研究中，率先根据模块化思路，提出了石墨/环氧树脂复合材料层合板热传导模型、树脂流动模型和空隙模型，并由此得出加温历程对温度、固化度与树脂流动的影响。Carlone等提出了一种针对复合材料层合板固化过程的模拟模型，将模拟得到的数据与实验测得的数据相比较，发现偏差值合理，因此证明了所建模型的准确性和合理性。Bogetti等针对热压罐成型过程提出了一种普适性好的二维模型，理论上可模拟出任何截面形状在任何边界条件下的固化过程。采用该模型，将树脂的固化反应热等效为非线性内热源，求解出热化学反应方程式与树脂固化反应动力学方程式，便可得出整个过程中的温度和固化度分布。国内的相关学者也为复合材料的固化变形和预测控制做了十分多的工作。戴棣等从残余应力等角度入手，建立有限元模型对固化变形进行了严谨的计算推导。赵婧和李敏基于有限元原理求解了厚制件固化成型过程中的热传导模型，获取了其在全过程中任意时刻任意节点的温度场与固化度场，并总结出材料密度等参数对结果的影响。弹性模量是模拟复合材料固化过程必要的参数之一，在推导弹性模量计算公式方面，戴福洪、郭战胜等做了大量研究。由于复合材料的弹性模量会因温度改变而改变，且具有各向异性等特点，故推导出其计算公式是模拟出精确结果的关键。戴福洪等人成功推导出模量计算公式，得到本构矩阵，并通过有限元方法对温度场求解，其所得结果与实验所得数据相差不大，并总结了层合板厚度对温度的影响。张纪奎等深入研究了固化过程中复杂的物化变化，并基于有限元原理提出了相关的三维模型。因在数值模拟中涉及到的物理及化学反应数量很大，故将复杂问题简化，把整体模块分为热-化学、流动-压实和应力-变形三个相对独立的子模块，并通过数据传递关系，将各模块有效联系起来。各模块及其子程序并不是全程工作，其是否工作以基体树脂的凝胶温度和玻璃化温度拐点作为判定根据。贺继林、李栋等研究了复杂厚曲面复合材料构件的固化变形问题，建立起一种复杂曲面复合材料构件固化变形的多物理场耦合有限元仿真模型。他们先是基于傅里叶热传导定律和固化反应动力学理论，对AS4\3501-6复合材料层合板固化反应过程中温度场和固化度场的分布和变化历程进行了具体分析，建立起固化过程中的热-化学模型,得到了层合板内部温度和固化度的变化曲线。而后研究固化过程中树脂基体和纤维增强体的物理参数演变规律,利用细观力学理论,建立起物理参数变化模型。再根据复合材料力学理论,在热-化学模型的基础上加入复合材料残余应力模块,建立起复合材料固化变形模型。同时研究纳维-斯托克斯公式，通过对比纤维材料方向与流体定常流线之间的相似性,建立起计算求解曲面复合材料曲面材料坐标系的模型，再将其与复合材料变形模型整合,组成了曲面复合材料固化变形模型。最后,通过将光纤光栅应变测试系统和热电偶温度测试系统对一个曲面复合材料构件固化过程中应变和温度的变化历程的测试数据,与曲面复合材料固化变形模型对该构件的模拟仿真结果作对比，验证了该曲面复合材料固化变形模型的正确性。贺继林、李栋等搭建的曲面复合材料固化变形模型,填补了固化变形理论的研究空白，为复杂曲面复合材料结构固化变形问题的研究做出了巨大贡献。五、采用有限元软件对固化变形进行研究的意义国内外学者在复合材料的固化变形领域已经进行了相当多的研究，迄今也已取得了很多成果，但理论与实际生产相结合的路仍旧很长。一方面，为了方便建模和求解，理论研究中常做出一些假设，以此来忽略部分参数对变形的影响，且建模采用的数据与实际生产中的构件外形等数据相比，往往简化程度较大，导致边界条件和载荷与实际偏差较大；另一方面，实际生产中产品和工艺的不断创新，会对研发周期和精度的要求越来越高，对变形控制的要求也越来越苛刻，所以对复合材料固化变形与优化课题的探索在当前仍具深远意义。为了缩短复合材料产品的设计周期，迅速提高产品精度，并节省材料成本，使用有限元分析软件对固化成型过程进行模拟分析优化，是行之有效并被广泛采用的方法。根据一定的工艺方案，基于有限元原理，采用有限元分析软件建立数值模拟模型，加载边界条件及载荷后，放入求解器进行计算，再通过分析模拟所得的结果，来及时修改工艺参数，或根据构件变形量来重新设计模具型面，以此可以达到快速高效低成本实现变形控制的要求。