宋清華，肖 軍，文立偉，王顯峰，范玨雯，石甲琪

(南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016)

復(fù)合材料低成本制造技術(shù)是目前國際上復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的核心問題之一，而復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)是歐美發(fā)達(dá)國家近30年來廣泛發(fā)展和應(yīng)用的低成本自動(dòng)化制造的典型代表[1-2]。自動(dòng)鋪放技術(shù)的加工對象主要為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料[3-4]。熱固性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)結(jié)合“熱壓罐”技術(shù)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域(圖1(a))。熱塑性復(fù)合材料以韌性高、重復(fù)加工性好及防火性能強(qiáng)使其成為航空結(jié)構(gòu)件的理想材料，如空客A340/A380飛機(jī)機(jī)翼前緣應(yīng)用玻璃纖維增強(qiáng)的聚苯硫醚復(fù)合材料，ICI公司利用50%長玻纖增強(qiáng)尼龍66制造飛機(jī)上的閥門，代替原來使用的酚醛石棉復(fù)合材料，滿足飛機(jī)閥門在寬的溫度范圍內(nèi)與燃料長期接觸也能保持其性能和形狀的要求[5-6]。而熱塑性復(fù)合材料與自動(dòng)鋪放技術(shù)相結(jié)合，采用“原位固結(jié)”技術(shù)(圖1(b))，與“熱壓罐”技術(shù)相比，“原位固結(jié)”技術(shù)不受加工場地和零件大小與形狀的限制，且構(gòu)件在鋪放過程中一次成型，加工效率高，因此熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)將會是未來生產(chǎn)航空航天復(fù)合材料構(gòu)件的重要技術(shù)[7-8]。然而由于熱塑性復(fù)合材料對溫度的敏感性，在鋪放過程中其內(nèi)部的溫度歷程非常復(fù)雜，不同的溫度梯度會引起復(fù)合材料內(nèi)部熱應(yīng)力和熱變形，進(jìn)而對成型構(gòu)件的力學(xué)性能有很大的影響，因此對熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型過程中的溫度場分布進(jìn)行研究具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

圖1 復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備(a)熱固性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備；(b)熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備Fig.1 AFP system for composites (a)AFP system for thermoset composites;(b)AFP system for thermoplastic composites

熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中的溫度場的研究在國外早已引起重視，目前已有比較多的數(shù)學(xué)模型和分析模型預(yù)測熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中的溫度場分布。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，建立熱傳遞模型，模型的維數(shù)通常根據(jù)熱傳遞方向分為一維、二維、三維三類，根據(jù)加熱方式的不同及模型周圍環(huán)境確定熱傳遞模型的邊界條件和初始條件。由于邊界條件比較復(fù)雜，一般采用有限元軟件進(jìn)行建模求解[9]。John等[10]僅考慮熱量沿預(yù)浸料厚度方向傳遞，忽略沿長度和寬度方向的傳遞，對熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過中的溫度場建立了一維熱傳遞模型，并進(jìn)行鋪放實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證模型的正確性。Grove[11]對激光輔助加熱APC-2型預(yù)浸料自動(dòng)鋪放成型過程建立二維熱傳遞模型，其采用一個(gè)固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，研究激光能量與鋪放速率之間的關(guān)系。Tumkor等[12]利用有限差分法建立熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中溫度場數(shù)學(xué)模型，并給出溫度場隨時(shí)間變化的解析解。Noha等[13]利用ABAQUS建立三維有限元模型對熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程進(jìn)行瞬態(tài)分析，同時(shí)對有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差給出相應(yīng)分析。目前國內(nèi)對熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中溫度場的研究比較少，天津工業(yè)大學(xué)李志猛等[14-15]使用半無限大固體的對流傳熱模型對鋪放過程中的熱對流和熱傳導(dǎo)進(jìn)行分析，建立一維熱傳遞數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS對鋪放過程中熱量的瞬態(tài)熱傳遞進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李玥華等[16]從整體角度出發(fā)，對熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型各環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，同時(shí)考慮各環(huán)節(jié)之間存在的聯(lián)系，確定鋪放工藝參數(shù)。但國內(nèi)關(guān)于熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中二維熱傳遞模型動(dòng)態(tài)仿真及原位固結(jié)過程中溫度場在線測量仍缺乏研究。

本工作通過建立熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中溫度場二維數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件對整個(gè)鋪放過程熱量的瞬態(tài)熱傳遞進(jìn)行仿真，研究鋪放過程中溫度場分布及其隨時(shí)間的變化。同時(shí)借助熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放平臺構(gòu)建溫度場在線測量系統(tǒng)，采集和存儲自動(dòng)鋪放過程中黏合區(qū)域的溫度峰值及鋪層的溫度場分布。

1 熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中溫度場數(shù)學(xué)模型

熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中，預(yù)浸料在熱源加熱及壓輥壓力作用下被鋪疊到底層預(yù)浸料上，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型。如圖2所示，整個(gè)鋪放過程是三維的，但通常加熱源的加熱范圍要比預(yù)浸料的寬度大，因此本工作認(rèn)為熱量在預(yù)浸料寬度方向上的傳遞是處處相等的，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，建立沿預(yù)浸料長度和厚度方向的二維熱傳遞模型，模型的熱傳遞方程為：

(1)

式中：ρ為預(yù)浸料的密度；c為預(yù)浸料的比熱容；T為加熱源的溫度；τ為時(shí)間；kx為預(yù)浸料沿著x方向即纖維方向的導(dǎo)熱系數(shù)；ky為預(yù)浸料沿著y方向即鋪層厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖2 熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放示意圖Fig.2 Schematic diagram of AFP for thermoplastic composites

1.1 幾何模型

圖3為熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程的二維幾何模型，x軸正方向沿模具底部水平向右，與鋪放成型的方向一致，y軸正方向沿著鋪層厚度方向垂直向上。d為單層預(yù)浸料的厚度，y1為鋪層厚度，y2為模具厚度，x1為黏合點(diǎn)距原點(diǎn)的距離，l1和l2表示壓輥與預(yù)浸料的接觸長度，由于壓輥壓力作用使預(yù)浸料與鋪層基層產(chǎn)生變形，因此壓輥中心的x坐標(biāo)與黏合點(diǎn)的x坐標(biāo)不重合[17]。l3表示熱源的加熱長度，θ為熱源加熱角度。

圖3 自動(dòng)鋪放過程二維幾何模型Fig.3 Model of two-dimensional geometry for AFP

1.2 邊界條件

為求解公式(1)，首先必須確定熱塑性復(fù)合材料中自動(dòng)鋪放過程中二維熱傳遞模型的邊界條件。自動(dòng)鋪放開始前，假設(shè)模具的表面溫度為Ttool以及預(yù)浸料的表面溫度為Ttape。因此，當(dāng)τ=0時(shí)，

在面Γ1，Γ2，Γ4上，

T(x,y)=Ttape

(2)

在面Γ10，Γ11，Γ12上，

T(x,y)=Ttool

(3)

鋪放成型過程中，根據(jù)傅里葉定律及牛頓冷卻公式對熱傳遞模型邊界條件描述如下。

在面Γ5，Γ13上，預(yù)浸料與空氣進(jìn)行自然對流換熱，

(4)

(5)

在面Γ8，Γ9上，鋪層與空氣進(jìn)行自然對流換熱，

(6)

(7)

式中:n表示傳熱表面的法線方向;h1為自然對流條件下預(yù)浸料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);T∞為環(huán)境溫度。

由于自動(dòng)鋪放設(shè)備中的壓輥與模具都是由鋼制作而成，其傳熱系數(shù)與預(yù)浸料相比是非常大的，在鋪放過程中，把壓輥及模具作為冷卻源。因此，在面Γ3上，

(8)

式中:hr為壓輥的對流換熱系數(shù);Tr為鋪放過程中的壓輥表面溫度。

在面Γ10，Γ11，Γ12上，

(9)

(10)

(11)

式中:ht為模具的對流換熱系數(shù);Tt為鋪放過程中的模具表面溫度。

本實(shí)驗(yàn)選擇熱風(fēng)槍為加熱設(shè)備，因此熱源是高溫氣體，在面Γ6，Γ7加熱區(qū)域，

(12)

式中:h2為強(qiáng)制對流條件下預(yù)浸料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);Thot為高溫氣體溫度。

自動(dòng)鋪放成型過程中，熱量的傳遞不僅有熱傳導(dǎo)和熱對流，還存在熱輻射，但輻射傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于對流傳熱系數(shù)，為便于求解，在分析中忽略輻射傳熱。

2 基于ANSYS鋪放過程的有限元建模與求解

熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型過程中，在熱源的作用下，每一鋪層及各鋪層間都會存在不同的結(jié)晶狀態(tài)及溫度梯度，鋪層溫度場的分布是隨時(shí)間不斷變化的，因此鋪放過程中的溫度場是一種非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，本工作選用ANSYS有限元分析軟件中的Thermal模塊對上述問題進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。

2.1 有限元控制方程

在有限元分析過程中，根據(jù)能量守恒原理，將溫度場導(dǎo)熱微分方程轉(zhuǎn)化為等效的瞬態(tài)傳熱有限元控制方程：

(13)

根據(jù)公式(13)，在給定材料屬性、邊界條件的情況下，依據(jù)有限元的思想進(jìn)行迭代求解，可以計(jì)算出鋪層中任何一點(diǎn)的溫度。一般進(jìn)行溫度場有限元分析時(shí)，二維模型使用四邊形或三角形單元進(jìn)行劃分，本實(shí)驗(yàn)選用PLANE13單元作為網(wǎng)格劃分的單元類型，該單元為二維耦合場單元，在滿足二維瞬態(tài)熱分析的同時(shí)，還能在熱場和結(jié)構(gòu)場之間實(shí)現(xiàn)耦合，便于后續(xù)對鋪放過程中的熱應(yīng)力進(jìn)行分析。

2.2 輸入?yún)?shù)的確定

本實(shí)驗(yàn)采用玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，聚丙烯熔點(diǎn)為150℃，熱分解溫度為350℃。由于聚丙烯的材料性能是非線性的，其熱導(dǎo)率、比熱容、密度都隨溫度變化而變化[18]。因此，GF/PP的材料性能也是非線性的，其熱性能參數(shù)隨溫度的變化如圖4所示。

圖4 GF/PP熱性能參數(shù)隨溫度的變化(a)熱導(dǎo)率隨溫度的變化；(b)比熱容隨溫度的變化；(c)密度隨溫度的變化Fig.4 Profile of the thermal parameters with the temperature variation for GF/PP(a)profile of the thermal conductivity with the temperature variation;(b)profile of the special heat capacity with the temperature variation;(c)profile of the density with the temperature variation

在對流傳熱中，大空間自然對流換熱的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)系式具有下列通用形式：

(14)

式中:Num為努賽爾準(zhǔn)則;Gr為格拉曉夫準(zhǔn)則;Pr為普朗特準(zhǔn)則;C和n由換熱面形狀及Gr共同決定;m表示定性溫度;取邊界層平均溫度為tm，它定義為：

(15)

式中:tw為對流換熱表面溫度;tf為流體溫度。

對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的計(jì)算公式如下：

(16)

式中:λm為導(dǎo)熱系數(shù);l為自然對流區(qū)域的長度。

經(jīng)計(jì)算得到GF/PP在不同溫度下自然對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如表1所示。

表1 GF/PP在不同溫度下自然對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Table 1 Coefficient of heat transfer at surface of GF/PP under free convection at different temperatures

在自動(dòng)鋪放過程中，熱氣載荷直接施加在面Γ6,Γ7區(qū)域，在此區(qū)域強(qiáng)制對流熱傳導(dǎo)中，首先需由雷諾準(zhǔn)則確定努塞爾數(shù)：

(17)

式中:Re為雷諾準(zhǔn)則;u∞為熱氣流速;υ為熱氣動(dòng)力黏度。

當(dāng)Re>5×105時(shí)，

Num=0.664Re0.5Pr1/3

(18)

當(dāng)5×105≤Re<107時(shí)，

Num=(0.037Re0.8-871)Pr1/3

(19)

結(jié)合公式(15),(16)，計(jì)算出面Γ6，Γ7區(qū)域內(nèi)平均溫度在300～600℃范圍內(nèi)熱氣流速u∞=60m/s時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如表2所示。

表2 GF/PP在不同溫度下強(qiáng)制對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Table 2 Coefficient of heat transfer at surface of GF/PP under forced convection at different temperatures

2.3 自動(dòng)鋪放過程的有限元建模

本實(shí)驗(yàn)使用的預(yù)浸料單層厚度為0.29mm，鋪放長度為300m，模具厚度20mm，在ANSYS中創(chuàng)建如圖5所示進(jìn)行6次鋪放的有限元模型，因?yàn)榉治龅闹攸c(diǎn)在于鋪層部分，所以對鋪層進(jìn)行等間距網(wǎng)格劃分，而對模具采用不均勻網(wǎng)格劃分。表3為有限元模型尺寸及邊界條件參數(shù)。

圖5 溫度場有限元分析模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Finite element model meshing for temperature field

自動(dòng)鋪放過程中，鋪層自身形態(tài)以及施加載荷的分布是隨著時(shí)間不斷變化的。在鋪層逐步完成自下向上、由左至右生長的同時(shí)，熱源施加的熱載荷沿著鋪層長度方向以一定速率均勻移動(dòng)，因此在有限元分析時(shí)，采用生死單元技術(shù)及循環(huán)加載技術(shù)模擬一直變化的模型，其求解流程如圖6所示。

表3 有限元模型尺寸及邊界條件Table 3 Finite element model size and boundary conditions

圖6 溫度場求解流程圖Fig.6 Flow chart of the temperature field solution

單元的生與死被定義為一種非線性的狀態(tài)變化，將生死單元“殺死”，實(shí)際上其導(dǎo)熱系數(shù)被設(shè)定為極小值；當(dāng)生死單元被激活時(shí)，其又被恢復(fù)為具有一定導(dǎo)熱系數(shù)的單元。在建立有限元模型后，對模型各節(jié)點(diǎn)施加初始溫度約束，并將所有鋪層單元?dú)⑺溃鶕?jù)圖6所示的求解流程，每增加一個(gè)載荷步，激活要進(jìn)行鋪放的鋪層單元，使預(yù)浸料被實(shí)時(shí)鋪疊到基體中，同時(shí)刪除上一載荷步中施加的載荷并在新激活的單元節(jié)點(diǎn)上施加熱載，從而實(shí)現(xiàn)鋪層實(shí)時(shí)生長及熱源的移動(dòng)。

2.4 自動(dòng)鋪放過程的有限元模擬結(jié)果分析

圖5所示的模型總長度為0.3m，在有限元模型鋪層中間，即距模具左側(cè)0.15m處，第1～6層節(jié)點(diǎn)編號分別為268～272，100。當(dāng)熱源未加熱到所選節(jié)點(diǎn)時(shí)，此節(jié)點(diǎn)處于自然對流邊界；當(dāng)熱源運(yùn)動(dòng)到所選節(jié)點(diǎn)上方時(shí)，此節(jié)點(diǎn)處于強(qiáng)制對流邊界條件。有限元仿真過程中通過選取的節(jié)點(diǎn)記錄鋪放成型過程中每層預(yù)浸料鋪層溫度場隨時(shí)間的變化規(guī)律。當(dāng)熱氣溫度為500℃，鋪放速率為0.6m/min時(shí)，節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化如圖7所示。圖7(a)為鋪完6層后第1層預(yù)浸料溫度隨時(shí)間變化曲線，圖中共出現(xiàn)6次波峰，第1個(gè)波峰代表鋪放第1層時(shí)，壓輥移動(dòng)到模具中間，節(jié)點(diǎn)268的溫度值。由于模具的吸熱量比較大，此節(jié)點(diǎn)的溫度沒有大幅度增長；第2個(gè)波峰代表鋪放第2層時(shí)，節(jié)點(diǎn)268的溫度值，此時(shí)熱源作用于第1層預(yù)浸料和第2層預(yù)浸料之間，因此如圖7(b)所示，第1層的第2個(gè)波峰與第2層的第1個(gè)波峰基本重疊，這表明鋪放時(shí)相鄰兩層間的溫度非常接近。此時(shí)由于第1層預(yù)浸料的阻熱作用，同時(shí)上一層鋪放時(shí)由于溫度累積使模具吸熱量減小，因此節(jié)點(diǎn)268溫度得以迅速上升。當(dāng)鋪放第3至第6層時(shí)，熱源不再直接作用于第1層，第1層的溫升全部依賴于其他層的熱傳導(dǎo)，因此第1層的第3至第6個(gè)波峰均沒第2個(gè)高且逐漸降低。不過由于熱量累積，鋪層整體的溫度逐漸上升，如圖7(b)所示。

圖7 熱氣溫度500℃、鋪放速率0.6m/min鋪層溫度隨時(shí)間變化曲線(a)鋪放過程中第1層溫度場變化；(b)鋪放過程中所有鋪層溫度場變化Fig.7 Graphs of the temperature field changes at heat temperature of 500℃ and processing speed of 0.6m/min(a)temperature field changes at the first layer;(b)temperature field changes at all layers

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為實(shí)時(shí)測量鋪放過程中黏合區(qū)域溫度峰值及鋪層經(jīng)歷的溫度歷程，需構(gòu)建自動(dòng)鋪放過程中溫度場在線測量系統(tǒng)。一個(gè)完整的自動(dòng)鋪放溫度在線采集系統(tǒng)包括自動(dòng)鋪放平臺、溫度采集部分、信號處理部分、數(shù)據(jù)顯示及存儲部分，如圖8所示。

圖8 自動(dòng)鋪放溫度在線采集系統(tǒng)Fig.8 Temperature acquisition system for the AFP

本實(shí)驗(yàn)采用熱電偶作為溫度采集部分的溫度測量元件，采集的溫度值經(jīng)西門子Step-300 PLC信號處理后，由西門子觸摸屏Smart 700顯示并存儲溫度值，其原理圖如圖9所示。

圖9 溫度采集系統(tǒng)原理圖Fig.9 Diagram of the temperature acquisition system

整個(gè)溫度采集系統(tǒng)以PLC為信號處理中心，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與西門子觸摸屏Smart 700建立通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)以觸摸屏基于WinCC flexible軟件編寫的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)更新并存儲鋪層溫度。鋪放開始前，先把熱電偶F固定在模具中間位置，當(dāng)?shù)?層鋪放完成后，為降低因植入熱電偶而造成鋪層厚度的增加，選擇熱電偶沿纖維方向交錯(cuò)排列，完成6次鋪放，共植入6只熱電偶，如圖10所示。

圖10 溫度采集系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.10 Picture of the temperature acquisition system

當(dāng)熱氣溫度為500℃，鋪放速率為0.6m/min時(shí)，熱電偶測量的鋪放第6層時(shí)溫度場變化如圖11所示，圖12為同時(shí)使用紅外成像儀拍攝的鋪放第4層時(shí)溫度場畫面。通過對比圖7可以看出，自動(dòng)鋪放過程中溫度場在線測量系統(tǒng)的測量結(jié)果與有限元仿真結(jié)果的基本吻合，但是在黏合區(qū)域，測量結(jié)果與仿真結(jié)果相對差距比較大，原因有兩方面，首先，由于測量元件熱電偶屬于接觸式測溫法，相對于紅外傳感器，其靈敏度及精度略低，而鋪放過程鋪層溫度場是不斷變化的，屬于非穩(wěn)態(tài)瞬間變化過程，因此熱電偶跟不上鋪層的溫度變化速率而出現(xiàn)測溫滯后，其測量結(jié)果就低于紅外成像儀的測量的結(jié)果及有限元仿真結(jié)果；其次，有限元仿真時(shí)，在黏合區(qū)域邊界條件過于簡化，也使得仿真結(jié)果高于熱電偶的測量結(jié)果。

圖11 熱電偶測量鋪放第6層時(shí)溫度場變化Fig.11 Temperature field changes at the sixth layer measured by thermocouples

圖12 鋪放第4層時(shí)紅外成像儀拍攝溫度場畫面Fig.12 Temperature field changes at the fourth layer measured by infrared thermal imager

當(dāng)鋪放速率固定為0.6m/min，將加熱溫度從300℃升高到600℃時(shí)，各鋪層溫度峰值隨加熱溫度變化規(guī)律如圖13所示。從圖中可以看出，隨著熱氣溫度的升高，每層峰值溫度逐漸增加，且熱氣溫度越高，鋪層間峰值溫度差越大，而熱電偶測量結(jié)果與仿真結(jié)果相差越小；隨著鋪層數(shù)的增加，鋪層間的峰值溫度差越??；當(dāng)熱氣溫度為350℃時(shí)，第1層的峰值溫度沒有達(dá)到樹脂基體的熔點(diǎn)，而當(dāng)熱氣溫度為550℃時(shí)，第6層的峰值溫度已達(dá)到樹脂基體的熱分解溫度，因此，當(dāng)鋪放速率為0.6m/min時(shí)，熱氣加熱溫度為400～500℃。

圖13 熱氣溫度對鋪層峰值溫度的影響Fig.13 Influence of the temperature of hot gas on all layers’ peak temperature

加工速率對生產(chǎn)效率具有重要意義，鋪放速率越快，生產(chǎn)效率越高，而熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中熱氣溫度越高，鋪放速率越快，因此選擇熱氣溫度為600℃，將鋪放速率從0.6m/min升高到1.5m/min時(shí)，各鋪層溫度峰值隨鋪放速率變化規(guī)律如圖14所示。

圖14 鋪放速率對鋪層峰值溫度的影響Fig.14 Influence of the speed of roll on the all layers’ peak temperature

從圖14可以看出，隨著鋪放速率的加快，每層峰值溫度逐漸降低，且鋪放速率越快，鋪層間峰值溫度差越小，而熱電偶測量結(jié)果與仿真結(jié)果相差越大；隨著鋪層數(shù)的增加，鋪層間的峰值溫度差越?。划?dāng)鋪放速率大于1.2m/min時(shí)，第1層的峰值溫度沒有達(dá)到樹脂基體的熔點(diǎn)，因此當(dāng)選擇熱氣溫度為600℃時(shí)，最快鋪放速率為1.2m/min。

4 結(jié)論

(1)基于自動(dòng)鋪放過程中二維溫度場數(shù)學(xué)模型及熱傳遞邊界條件，建立溫度場動(dòng)態(tài)有限元模型，對鋪放過程中瞬態(tài)熱傳遞進(jìn)行了仿真，得到鋪放過程中鋪層溫度場隨時(shí)間的變化；同時(shí)構(gòu)建溫度場在線測量系統(tǒng)，對鋪層溫度進(jìn)行在線采集與存儲。通過對比，測量結(jié)果與有限元仿真結(jié)果基本吻合，證明了仿真模型的正確性。

(2)在鋪放過程中，每一層預(yù)浸料的溫度曲線出現(xiàn)多個(gè)峰值，且隨著熱氣溫度的升高，每層峰值溫度逐漸增加，熱氣溫度越高，鋪層間峰值溫度差越大，熱電偶測量結(jié)果與仿真結(jié)果相差越??；隨著鋪放速率的加快，每層峰值溫度逐漸降低，為滿足成型要求，當(dāng)熱氣溫度最高為600℃時(shí)，最大鋪放速率為1.2m/min。

(3)雖然熱氣溫度越高，鋪放速率越快，但加熱溫度越高，樹脂基體降解的可能性增大。因此，為得到最優(yōu)加工參數(shù)，需對鋪放過程中的熱應(yīng)力進(jìn)一步研究，獲得性能更優(yōu)自動(dòng)鋪放成型的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件。

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