一种复合材料微波固化温度场的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合材料固化技术，尤其是一种复合材料微波固化技术，具体地 说是一种微波固化复合材料的温度场预测方法。
【背景技术】
[0002] 纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减 震性好、性能可设计等一系列优越的性能，在航空航天、能源交通和船舶领域应用广泛。目 前，复合材料主要采用热压罐固化，但热压罐难以固化成型大厚度复合材料，固化时间长、 能耗高。复合材料微波固化技术相比于传统热压罐固化技术，能够有效固化成型大厚度复 合材料、加热固化速度快、温度均匀、能耗低。
[0003] 然而，由于与传统的复合材料加热方式有本质区别，微波固化复合材料的温度分 布无法采用原有技术方法进行预测，目前也未见微波固化复合材料温度场预测的相关报 道。微波固化复合材料的温度场无法预测，导致需采用试凑法反复修配模具以减小复合材 料的固化变形，研制周期长，但仍然无法有效避免复合材料的翘曲变形。尤其对于大尺寸、 大厚度复杂纤维增强树脂基复合材料构件，此类构件的固化变形直接导致构件报废，成本 高昂。因此建立复合材料微波固化温度场精确预测模型对复合材料构件的性能和质量具有 重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有的微波固化复合材料温度场模型缺少微波在微观模型 中的变化情况而导到预测成本高，精度不能满足使用要求的问题，发明一种微波固化复合 材料的温度场预测方法。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] -种复合材料微波固化温度场的预测方法，建立增强体与树脂基体的微观尺度模 型，微观尺度模型重点包括碳纤维优先于树脂加热的效应与微波在材料中的衰减，宏观尺 度模型重点包括微波固化复合材料反应放热与复合材料和模具、周围室温环境的对流换热 与热辐射，微观和宏观尺度模型耦合求解，以此精确预测和分析微波固化复合材料的微波 和温度分布。微观模型为复合材料真实截面，包含增强体和树脂基体的多维模型，尺度在1 至2900微米。微观尺度模型的输入条件为微观材料物理电磁参数，输出为整体微观模型 的物理电磁参数和微波衰减模型，物理电磁参数包含但不限于材料在多个方向上的密度、 比热容、热传导系数、电导率、磁导率和介电常数。基于碳纤维与树脂的不同电磁物理参数 与微波在增强体、树脂中的吸收衰减建立微波在材料中的衰减模型。宏观尺度的复合材料 模型为复合材料在微波加热腔体中的多维模型，模型中包含但不限于腔体、波导口、复合材 料、模具、真空袋辅助材料和气体介质。宏观尺度模型的输入条件为由微观模型计算得到的 电磁参数、微波衰减模型、对流换热边界以及复合材料周围包裹材料的物理电磁参数和边 界条件。
[0007] 所述的宏观的模型包含微波场模型，各向异性材料的电磁加热模型，微波衰减模 型，树脂固化反应放热模型，热传导模型，考虑模具和辅助材料影响的边界对流辐射模型或 者其中的部分模型。在微波固化复合材料的温度场宏观的层合板模型中，所述的微波场模 型，是基于麦克斯维尔方程组描述的微波场模型；所述的微波衰减模型，由微波传播的能量 在介质中以指数形式衰减的衰减模型描述；所述的各向异性材料的电磁加热模型，由各向 异性形式的电导率矩阵，推导单位体积材料吸收的微波能量方程描述；所述的树脂固化反 应放热模型，由固化反应动力学方程描述；考虑模具和辅助材料影响的边界对流辐射的子 模型，主要由界面的热对流方程和热辐射方程描述。最后，宏观尺度模型对上述模型进行耦 合计算，预测微波固化过程中复合材料的微波场和温度场分布。
[0008] 本发明的有益效果是：
[0009] 1.该预测方法解决了现有微波固化复合材料温度场无法预测的难题
[0010] 2.该预测方法重点包括微波在材料中的衰减与微波固化复合材料反应放热与复 合材料和模具、周围室温环境的对流换热与热辐射，预测精度高。
[0011] 3.该模型采取多尺度的计算方法，使得材料的输入参数可以从容易得到的纤维和 树脂的参数计算得到，不必对各种纤维、树脂、树脂体积含量的复合材料分析前进行一一测 试，使得该模型具备短时间的分析和预测能力，极大的缩短了微波固化工艺技术的周期，节 省成本。
【附图说明】
[0012] 图1微波固化复合材料温度场预测方法结构图。
[0013] 图2微波固化复合材料温度场预测方法计算流程图。
[0014] 图3是本发明的微观模型中电场强度的分布。
[0015] 图4是本发明实施例在工艺过程的480s时刻复合材料层合板中间面的温度分布。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0017] 一种复合材料微波固化温度场的预测方法，首先，建立增强体与树脂基体的微观 尺度模型，然后计算出微观尺度模型的电磁参数和微波衰减模型，再将参数和衰减模型传 递至宏观尺度模型，最后，通过宏观尺度模型计算和预测复合材料的微波场和温度场分布。 所述的微观模型为取自真实复合材料截面，包含增强体和树脂基体的多维模型，尺度在1 至2900微米，所述的微观尺度模型的输入条件为微观材料物理电磁参数，输出为整体微观 模型的物理电磁参数和微波衰减模型，物理电磁参数包含但不限于材料在多个方向上的密 度、比热容、热传导系数、电导率、磁导率和介电常数。所述的宏观尺度的复合材料模型为复 合材料在微波加热腔体中的多维模型，模型中包含但不限于腔体、波导口、复合材料、模具、 真空袋辅助材料和气体介质。所述的宏观尺度模型的输入条件为由微观模型计算得到的复 合材料电磁参数、微波衰减模型，以及复合材料周围包裹材料的物理电磁参数和边界条件。 所述的微波衰减模型主要描述微波能量在传播至具有增强体和树脂两相介质的微观模型 中的衰减。所述的宏观的模型包含微波场模型，各向异性材料的电磁加热模型，微波衰减模 型，树脂固化反应放热模型，热传导模型，考虑模具和辅助材料影响的边界对流辐射模型或 者其中的部分模型。在微波固化复合材料的温度场宏观的层合板模型中，所述的微波场模 型，是基于麦克斯维尔方程组描述的微波场模型；所述的微波衰减模型，由微波传播的能量 在介质中以指数形式衰减的衰减模型描述；所述的各向异性材料的电磁加热模型，由各向 异性形式的电导率矩阵，推导单位体积材料吸收的微波能量方程描述；所述的树脂固化反 应放热模型，由固化反应动力学方程描述；考虑模具和辅助材料影响的边界对流辐射的子 模型，主要由界面的热对流方程和热辐射方程描述。最后，宏观尺度模型对上述模型进行耦 合计算，预测微波固化过程中复合材料的微波场和温度场分布。
[0018] 详述如下：
[0019] 如图1和图2所示，本发明的复合材料微波固化温度场的预测方法是先由微观尺 度模型计算复合材料电磁参数、微波衰减模型和对流换热边界，再通过包含复合材料周围 包裹材料的物理电磁参数和边界条件的宏观尺度模型仿真分析复合材料的温度场。宏观尺 度模型的形式是层合板，微观尺度模型的形式是包含若干纤维及周围树脂的微元体。宏观 的模型包含微波衰减模型，各向异性材料的电磁加热模型，树脂固化反应放热模型，热传导 模型，考虑模具和辅助材料影响的边界对流辐射模型。
[0020] 微波场模型由麦克斯维尔方程组描述：
【主权项】
1. 一种复合材料微波固化温度场的预测方法，其特征在于：建立增强体与树脂基体的 微观尺度模型，微观尺度模型重点包括微波在材料中的衰减，宏观尺度模型重点包括微波 固化复合材料反应放热与复合材料和模具、周围室温环境的对流换热与热辐射，微观和宏 观尺度模型耦合求解，以此精确预测和分析微波固化复合材料的微波和温度分布。
2. 根据权利要求1所述的复合材料微波固化温度场预测方法，其特征在于：微观模型 为复合材料真实截面，包含增强体和树脂基体的多维模型，尺度在1至2900微米。
3. 根据权利要求1所述的复合材料微波固化温度场预测方法，其特征在于：微观尺度 模型的输入条件为微观材料物理电磁参数，输出为整体微观模型的物理电磁参数和微波衰 减模型，物理电磁参数包含但不限于材料在多个方向上的密度、比热容、热传导系数、电导 率、磁导率和介电常数。
4. 根据权利要求1所述的复合材料微波固化温度场预测方法，其特征在于：基于碳纤 维与树脂的不同电磁物理参数与微波在增强体、树脂中的吸收衰减建立微波在材料中的衰 减模型。
5. 根据权利要求1所述的复合材料微波固化温度场预测方法，其特征在于：宏观尺度 的复合材料模型为复合材料在微波加热腔体中的多维模型，模型中包含但不限于腔体、波 导口、复合材料、模具、真空袋辅助材料和气体介质。
6. 根据权利要求1所述的复合材料微波固化温度场预测方法，其特征在于：宏观尺度 模型的输入条件为由微观模型计算得到的电磁参数、微波衰减模型、对流换热边界以及复 合材料周围包裹材料的物理电磁参数和边界条件。
【专利摘要】一种复合材料微波固化温度场的预测方法，该方法提供一种针对树脂基复合材料微波加热固化过程中微波场和温度场的预测方法。本发明方法通过建立增强体和树脂基体的微观和宏观尺度模型，微观尺度模型重点包括微波在材料中的衰减，宏观尺度模型重点包括微波固化复合材料反应放热与复合材料和模具、周围室温环境的对流换热与热辐射。微观和宏观尺度模型耦合求解，以此精确预测和分析微波固化复合材料的微波和温度分布。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104732022
【申请号】CN201510119075
【发明人】李迎光, 李楠垭, 郝小忠
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月18日