一種復合材料微波固化溫度場的預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種復合材料固化技術，尤其是一種復合材料微波固化技術，具體地 說是一種微波固化復合材料的溫度場預測方法。
【背景技術】
[0002] 纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度、低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減 震性好、性能可設計等一系列優越的性能，在航空航天、能源交通和船舶領域應用廣泛。目 前，復合材料主要采用熱壓罐固化，但熱壓罐難以固化成型大厚度復合材料，固化時間長、 能耗高。復合材料微波固化技術相比于傳統熱壓罐固化技術，能夠有效固化成型大厚度復 合材料、加熱固化速度快、溫度均勻、能耗低。
[0003] 然而，由于與傳統的復合材料加熱方式有本質區別，微波固化復合材料的溫度分 布無法采用原有技術方法進行預測，目前也未見微波固化復合材料溫度場預測的相關報 道。微波固化復合材料的溫度場無法預測，導致需采用試湊法反復修配模具以減小復合材 料的固化變形，研制周期長，但仍然無法有效避免復合材料的翹曲變形。尤其對于大尺寸、 大厚度復雜纖維增強樹脂基復合材料構件，此類構件的固化變形直接導致構件報廢，成本 高昂。因此建立復合材料微波固化溫度場精確預測模型對復合材料構件的性能和質量具有 重要的意義。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是針對現有的微波固化復合材料溫度場模型缺少微波在微觀模型 中的變化情況而導到預測成本高，精度不能滿足使用要求的問題，發明一種微波固化復合 材料的溫度場預測方法。
[0005] 本發明的技術方案是：
[0006] -種復合材料微波固化溫度場的預測方法，建立增強體與樹脂基體的微觀尺度模 型，微觀尺度模型重點包括碳纖維優先于樹脂加熱的效應與微波在材料中的衰減，宏觀尺 度模型重點包括微波固化復合材料反應放熱與復合材料和模具、周圍室溫環境的對流換熱 與熱輻射，微觀和宏觀尺度模型耦合求解，以此精確預測和分析微波固化復合材料的微波 和溫度分布。微觀模型為復合材料真實截面，包含增強體和樹脂基體的多維模型，尺度在1 至2900微米。微觀尺度模型的輸入條件為微觀材料物理電磁參數，輸出為整體微觀模型 的物理電磁參數和微波衰減模型，物理電磁參數包含但不限于材料在多個方向上的密度、 比熱容、熱傳導系數、電導率、磁導率和介電常數。基于碳纖維與樹脂的不同電磁物理參數 與微波在增強體、樹脂中的吸收衰減建立微波在材料中的衰減模型。宏觀尺度的復合材料 模型為復合材料在微波加熱腔體中的多維模型，模型中包含但不限于腔體、波導口、復合材 料、模具、真空袋輔助材料和氣體介質。宏觀尺度模型的輸入條件為由微觀模型計算得到的 電磁參數、微波衰減模型、對流換熱邊界以及復合材料周圍包裹材料的物理電磁參數和邊 界條件。
[0007] 所述的宏觀的模型包含微波場模型，各向異性材料的電磁加熱模型，微波衰減模 型，樹脂固化反應放熱模型，熱傳導模型，考慮模具和輔助材料影響的邊界對流輻射模型或 者其中的部分模型。在微波固化復合材料的溫度場宏觀的層合板模型中，所述的微波場模 型，是基于麥克斯維爾方程組描述的微波場模型；所述的微波衰減模型，由微波傳播的能量 在介質中以指數形式衰減的衰減模型描述；所述的各向異性材料的電磁加熱模型，由各向 異性形式的電導率矩陣，推導單位體積材料吸收的微波能量方程描述；所述的樹脂固化反 應放熱模型，由固化反應動力學方程描述；考慮模具和輔助材料影響的邊界對流輻射的子 模型，主要由界面的熱對流方程和熱輻射方程描述。最后，宏觀尺度模型對上述模型進行耦 合計算，預測微波固化過程中復合材料的微波場和溫度場分布。
[0008] 本發明的有益效果是：
[0009] 1.該預測方法解決了現有微波固化復合材料溫度場無法預測的難題
[0010] 2.該預測方法重點包括微波在材料中的衰減與微波固化復合材料反應放熱與復 合材料和模具、周圍室溫環境的對流換熱與熱輻射，預測精度高。
[0011] 3.該模型采取多尺度的計算方法，使得材料的輸入參數可以從容易得到的纖維和 樹脂的參數計算得到，不必對各種纖維、樹脂、樹脂體積含量的復合材料分析前進行一一測 試，使得該模型具備短時間的分析和預測能力，極大的縮短了微波固化工藝技術的周期，節 省成本。
【附圖說明】
[0012] 圖1微波固化復合材料溫度場預測方法結構圖。
[0013] 圖2微波固化復合材料溫度場預測方法計算流程圖。
[0014] 圖3是本發明的微觀模型中電場強度的分布。
[0015] 圖4是本發明實施例在工藝過程的480s時刻復合材料層合板中間面的溫度分布。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0017] 一種復合材料微波固化溫度場的預測方法，首先，建立增強體與樹脂基體的微觀 尺度模型，然后計算出微觀尺度模型的電磁參數和微波衰減模型，再將參數和衰減模型傳 遞至宏觀尺度模型，最后，通過宏觀尺度模型計算和預測復合材料的微波場和溫度場分布。 所述的微觀模型為取自真實復合材料截面，包含增強體和樹脂基體的多維模型，尺度在1 至2900微米，所述的微觀尺度模型的輸入條件為微觀材料物理電磁參數，輸出為整體微觀 模型的物理電磁參數和微波衰減模型，物理電磁參數包含但不限于材料在多個方向上的密 度、比熱容、熱傳導系數、電導率、磁導率和介電常數。所述的宏觀尺度的復合材料模型為復 合材料在微波加熱腔體中的多維模型，模型中包含但不限于腔體、波導口、復合材料、模具、 真空袋輔助材料和氣體介質。所述的宏觀尺度模型的輸入條件為由微觀模型計算得到的復 合材料電磁參數、微波衰減模型，以及復合材料周圍包裹材料的物理電磁參數和邊界條件。 所述的微波衰減模型主要描述微波能量在傳播至具有增強體和樹脂兩相介質的微觀模型 中的衰減。所述的宏觀的模型包含微波場模型，各向異性材料的電磁加熱模型，微波衰減模 型，樹脂固化反應放熱模型，熱傳導模型，考慮模具和輔助材料影響的邊界對流輻射模型或 者其中的部分模型。在微波固化復合材料的溫度場宏觀的層合板模型中，所述的微波場模 型，是基于麥克斯維爾方程組描述的微波場模型；所述的微波衰減模型，由微波傳播的能量 在介質中以指數形式衰減的衰減模型描述；所述的各向異性材料的電磁加熱模型，由各向 異性形式的電導率矩陣，推導單位體積材料吸收的微波能量方程描述；所述的樹脂固化反 應放熱模型，由固化反應動力學方程描述；考慮模具和輔助材料影響的邊界對流輻射的子 模型，主要由界面的熱對流方程和熱輻射方程描述。最后，宏觀尺度模型對上述模型進行耦 合計算，預測微波固化過程中復合材料的微波場和溫度場分布。
[0018] 詳述如下：
[0019] 如圖1和圖2所示，本發明的復合材料微波固化溫度場的預測方法是先由微觀尺 度模型計算復合材料電磁參數、微波衰減模型和對流換熱邊界，再通過包含復合材料周圍 包裹材料的物理電磁參數和邊界條件的宏觀尺度模型仿真分析復合材料的溫度場。宏觀尺 度模型的形式是層合板，微觀尺度模型的形式是包含若干纖維及周圍樹脂的微元體。宏觀 的模型包含微波衰減模型，各向異性材料的電磁加熱模型，樹脂固化反應放熱模型，熱傳導 模型，考慮模具和輔助材料影響的邊界對流輻射模型。
[0020] 微波場模型由麥克斯維爾方程組描述：
【主權項】
1. 一種復合材料微波固化溫度場的預測方法，其特征在于：建立增強體與樹脂基體的 微觀尺度模型，微觀尺度模型重點包括微波在材料中的衰減，宏觀尺度模型重點包括微波 固化復合材料反應放熱與復合材料和模具、周圍室溫環境的對流換熱與熱輻射，微觀和宏 觀尺度模型耦合求解，以此精確預測和分析微波固化復合材料的微波和溫度分布。
2. 根據權利要求1所述的復合材料微波固化溫度場預測方法，其特征在于：微觀模型 為復合材料真實截面，包含增強體和樹脂基體的多維模型，尺度在1至2900微米。
3. 根據權利要求1所述的復合材料微波固化溫度場預測方法，其特征在于：微觀尺度 模型的輸入條件為微觀材料物理電磁參數，輸出為整體微觀模型的物理電磁參數和微波衰 減模型，物理電磁參數包含但不限于材料在多個方向上的密度、比熱容、熱傳導系數、電導 率、磁導率和介電常數。
4. 根據權利要求1所述的復合材料微波固化溫度場預測方法，其特征在于：基于碳纖 維與樹脂的不同電磁物理參數與微波在增強體、樹脂中的吸收衰減建立微波在材料中的衰 減模型。
5. 根據權利要求1所述的復合材料微波固化溫度場預測方法，其特征在于：宏觀尺度 的復合材料模型為復合材料在微波加熱腔體中的多維模型，模型中包含但不限于腔體、波 導口、復合材料、模具、真空袋輔助材料和氣體介質。
6. 根據權利要求1所述的復合材料微波固化溫度場預測方法，其特征在于：宏觀尺度 模型的輸入條件為由微觀模型計算得到的電磁參數、微波衰減模型、對流換熱邊界以及復 合材料周圍包裹材料的物理電磁參數和邊界條件。
【專利摘要】一種復合材料微波固化溫度場的預測方法，該方法提供一種針對樹脂基復合材料微波加熱固化過程中微波場和溫度場的預測方法。本發明方法通過建立增強體和樹脂基體的微觀和宏觀尺度模型，微觀尺度模型重點包括微波在材料中的衰減，宏觀尺度模型重點包括微波固化復合材料反應放熱與復合材料和模具、周圍室溫環境的對流換熱與熱輻射。微觀和宏觀尺度模型耦合求解，以此精確預測和分析微波固化復合材料的微波和溫度分布。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104732022
【申請號】CN201510119075
【發明人】李迎光, 李楠埡, 郝小忠
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月18日