国产CAE：复合材料固化变形仿真模块研发成功

关键词：复合材料，国产CAE，固化变形，C形，L形，铺层，SFEM

热固性复合材料在高温成型的过程中，由于模具与材料热膨胀不匹配、材料层间热膨胀不匹配、树脂固化收缩、材料力学性能变化等综合因素，固化脱模后，会发生固化变形。

固化变形现象

针对这个问题的仿真，目前主流的方法是通过编写子程序，将热化学、热力学等模型进行嵌入，再由ABAQUS等商软完成仿真。

这种方法门槛颇高，我之前专门编写过子程序实现了这一现象的准确模拟。

基于ABAQUS子程序的固化变形仿真

然而对于生产部门来说，这种方法过于学术，工程师很难掌握。

因此我们自研的复合材料有限元软件SFEM在2.0版本规划的时候，就把这一模块作为开发目标之一。

SFEM的核心目标，就是将复合材料力学结构设计中的强度、疲劳、固化变形等复杂力学问题的模拟高度封装，用户只需要简单操作就可以完成。

我们希望能通过SFEM，慢慢的把那些看起高级复杂的数学方程从学校院所，以一种一线工程师看的懂的方式，应用到工程设计的现场。

近期，我们针对固化变形问题，将原本需要实体单元模拟的力学模型，移植到了壳单元上，并作为一个工具模块嵌入到SFEM软件中。

用户只需要稍微熟悉一下流程，简单几分钟就可以完成简单零部件的固化变形仿真。

1. 原理与方法

为了便于用户操作，同时保证计算效率，我们将热化学分析与力学分析进行了解耦。

热化学分析部分：

用户输入固化温度曲线、固化模型参数，就可以完成固化度时间曲线、玻璃化转变温度曲线的计算、玻璃化转变温度点的计算。

热力分析部分：

热力学部分分为固化、脱模两个阶段。

固化阶段：热化学部分得到的热化学参数曲线，已经确定了力学参数的变化。这里只需要根据力学参数的变化，进行仿真即可。

脱模阶段：采用惯性释放技术，将固化阶段的累积应力作用在结构上，模拟出结构无约束、自由状态下的变形，即为固化变形。

2. 软件的一般使用流程：以L形构件为例

Step 1:导入几何模型、网格划分

导入igs/stp/stl模型：

模型导入

该L形构件的试验件尺寸如下：

试验件尺寸

来源（文献1：《热固性树脂基复合材料固化变形数值模拟和理论研究》）

网格离散后

Step 2:材料参数设置与铺层设置

材料参数设置如下：

设置材料坐标系，红色为1方向，绿色为2方向，蓝色为3方向。

材料坐标系分布

铺层有单向铺层（0°，环向方向）、0/90对称铺层两种。总厚度有2mm、4mm两种构型。

Step 3:固化变形模块-热化学分析

从菜单栏的工具，进入固化变形模块弹窗，首先导入固化温度曲线excel表。

固化温度曲线

然后输入固化度模型参数、玻璃化转变温度参数完成固化度曲线、Tg曲线的分析：

固化度曲线分析结果

玻璃化转变温度曲线分析结果

Step 4:固化变形模块-热力学分析

输入固化收缩应变，设置约束位置，启动分析。

几分钟后即可完成计算。打开后处理的变形功能，将变形效果放大，即可看到明显的固化变形效果。

L形构件固化变形结果

Step 5:后处理-回弹角计算

使用软件的结果查询功能，从模型上选取侧边的点，获得变形后的坐标数据，再计算夹角，确定回弹角。

经过和文献中的试验数据的对比，我们的软件结果可以准确模拟出不同铺层、不同厚度的回弹角。

节点信息查询

3. C形构件模拟效果

C形件的模拟效果如下。这个也和试验结果进行了比对，精度良好。

C形构件固化变形结果