Abaqus粘弹性本构与热力耦合-探复合材料固化变形预测新方向

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导读：复合材料制件成型过程中，由于材料自身的各向异性、树脂基体的化学收缩反应以及模具作用等因素的影响，导致制件成型过程中产生残余应力，引起固化变形，从而增加制造成本和装配难度。因此，合理预测制件固化过程中残余应力的发展，计算制件的固化变形量，成为降低制造成本、提高生产效率的重要手段。

一、复合材料固化成型仿真的主要内容

它主要包括三个部分：

（1）热-化学模型

热 - 化学模型是复合材料固化成型仿真的基础，它聚焦于复合材料在固化过程中热量传递与化学反应之间的耦合关系。在复合材料固化时，树脂基体发生交联反应会释放出大量的热量，即固化反应热，这些热量的产生与分布会直接影响材料的固化进程和最终性能。热 - 化学模型通过建立数学方程，对固化过程中温度场的变化、热量在材料内部以及与外界环境之间的传递进行精确描述。例如，在航空航天领域使用的碳纤维增强环氧树脂复合材料构件固化时，热 - 化学模型可以模拟模具温度、环境温度对构件内部温度分布的影响，帮助工程师判断是否会因局部过热导致树脂分解、性能下降，或者因温度不均产生内应力，进而优化固化工艺参数，如升温速率、保温时间等，确保复合材料能够均匀、充分固化。

（2）固化动力学方程

固化动力学方程主要用于定量描述复合材料固化反应的速率和程度。它通过研究固化反应过程中各种因素，如温度、压力、催化剂浓度等对反应速率的影响，建立起反应程度与这些因素之间的数学关系。不同的树脂体系具有独特的固化动力学特性，例如，对于一些高性能环氧树脂体系，其固化反应速率对温度极为敏感，通过固化动力学方程可以准确计算出在不同温度条件下树脂的固化度随时间的变化曲线。在实际生产中，依据这些曲线，工程师能够合理安排固化工艺阶段，如确定凝胶时间、固化完全所需时间等，避免过早脱模导致构件强度不足，或因过度固化造成能源浪费和生产周期延长，同时还可以预测复合材料在不同固化阶段的物理化学性能变化，为后续的性能评估和结构设计提供重要依据。

（3）固化本构

固化本构则是描述复合材料在固化过程中力学性能演变规律的关键理论。在固化过程中，复合材料从初始的粘性流体状态逐渐转变为具有一定强度和刚度的固体，其力学性能如弹性模量、泊松比、强度等会随着固化程度的增加而发生显著变化。固化本构通过建立力学性能与固化度、温度等因素之间的关系模型，能够准确预测复合材料在固化过程中不同时刻的力学响应。例如，在设计风力发电机叶片等大型复合材料结构时，固化本构可以帮助工程师分析叶片在固化过程中由于力学性能变化产生的变形和应力分布，提前发现可能出现的翘曲、分层等缺陷，并通过调整模具结构、优化固化工艺参数等方式进行预防和控制，确保最终产品满足设计要求和使用性能。

热 - 化学模型、固化动力学方程和固化本构在复合材料固化成型仿真中缺一不可。热 - 化学模型提供温度和化学变化的基础数据，固化动力学方程在此基础上明确反应进程，而固化本构则将化学变化与力学性能紧密联系起来，三者协同作用，为实现复合材料高效、高质量的固化成型提供了强大的技术支持。关于固化成型过程中的热化学模型和固化动力学方程，大家可以查阅【静默的无线电】老师的仿真秀专栏文章《基于Abaqus的复合材料热-固化数值模拟》，点击文尾阅读原文查看。