热固型树脂基纤维缠绕复合材料,以其优异的结构性能已获得越来越广泛的应用。随着新能源和航空航天技术的发展,对纤维增强复合材料制品的成型质量和力学性能要求逐渐提高,而决定复合材料制品成型质量和性能的关键在于成型工艺。传统的热固型树脂基纤维缠绕成型工艺采用先缠绕后固化的两步成型工艺制造,即先在缠绕机上完成缠绕,再放入固化炉进行固化。这种成型方式不仅效率低,而且难以实现对固化温度的精确控制。本文提出了一种向中空芯模内通入蒸汽实现缠绕成型后的复合材料直接在芯模上固化的新工艺,称为原位成型工艺。该工艺的显著优点在于:缠绕和固化连续完成可极大地提高壳体(尤其是厚壁壳体)的成型效率并降低成本;由内向外固化利于树脂流动、纤维浸润,及多余树脂、气泡和固化气体的及时排出,并可降低固化过程中的热峰值和残余应力;可提高成型过程中复合材料径向弹性模量,降低外部缠绕层对内部缠绕纤维的松弛作用;易于实现芯模精确升降温控制,从而进一步有效降低壳体残余应力。本文以热固型树脂基纤维缠绕复合材料为应用背景,针对原位成型工艺的基础理论和内部规律进行了研究,主要完成以下工作:1.提出原位成型工艺成型方法,确定工艺研究的总体方案,即探索原位成型工艺内部机理,通过仿真揭示固化过程材料内部参数变化规律,进而通过分析芯模对固化过程的影响提出优化芯模结构的方法。2.阐述原位成型工艺固化过程中内部传热及固化机理,建立其热分析及固化模型,以复合材料飞轮为例对固化过程进行三维有限元仿真,揭示材料在固化反应前、中、后三个阶段的温度和固化度变化规律;对比带有模具建模和不带模具建模的两组仿真,分析模具传热在固化反应各阶段对材料温度和固化度的影响情况。3.阐述原位成型工艺固化过程应力/应变机理,建立其材料物性参数预报模型,对固化过程材料热膨胀系数、弹性模量、剪切模量进行预报;建立其结构分析模型,以复合材料飞轮热分析仿真为基础,对固化过程进行三维有限元结构分析仿真,揭示材料变形规律;对比是否考虑模具影响的两组仿真,分析模具对材料变形的影响状况。4.阐述了芯模传热均匀性对复合材料固化的影响以及芯模内蒸汽传热机理,建立其蒸汽流动和传热模型,对芯模传热过程进行仿真,提出采用导流板优化芯模温度分布的方法;通过仿真对不同导流板角度芯模的传热均匀性进行评价,筛选其导流板角度,改善芯模温度的均匀性。5.采用光纤光栅传感器对原位成型工艺固化变形及芯模传热进行监测和分析,仿真结果对比表明:固化变形误差为10%,芯模传热误差为5%。