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申请/专利权人：南京航空航天大学

摘要：本发明公开了一种基于热流耦合模型的复合材料增材制造件性能预测及强化方法；包含一个基于热流耦合模型的增材件力学性能预测模型与一个基于喷嘴阶跃式螺线摆动的增材件性能强化方法。结合增材过程热流耦合模型求解结果及物理本质知识引导，将关键微观结构特征参数与力学性能预测模型建立联系，最终实现对复合材料增材件性能的准确预测；采用增材过程喷嘴阶跃式螺线摆动来缓释纤维内部应力，打破增材件强层间结合与低纤维损伤难兼得的矛盾，最终获得较优复材增材件综合性能。本发明可实现涉及繁多工艺条件的复合材料增材件力学性能的准确预测，同时可在不引入外热、力源的情况下，实现强层间结合与低纤维损伤兼得，最终可实现以较低成本实现复合材料增材件综合性能显著提升。

主权项：1.一种基于热流耦合模型的复合材料增材制造件性能预测及强化方法，其特征在于，包含一个热流耦合模型，一个基于热流耦合模型的增材件力学性能预测模型，以及一种基于力学性能预测模型与喷嘴阶跃式螺线摆动的增材件性能强化方法；复合材料增材件性能受到增材过程纤维损伤、树脂结晶度分布、层间扩散深度及层间空隙形态多种因素协同影响，其性能准确预测极难；针对这一问题，结合增材过程热流耦合模型求解结果及物理本质知识引导，同时实现对增材过程纤维损伤、树脂结晶度分布、层间树脂扩散深度及层间空隙形态的准确仿真，最终实现对复合材料增材件性能的准确预测；具体地，首先，通过增材过程热流耦合模型构件与求解，得出增材过程纤维应力、层间界面压力、温度场及树脂流动场演化特征；随后，依据Hashin准则和纤维应力分布计算纤维强度受损率，依据蛇形模型、层间界面压力和温度场计算层间树脂扩散深度，利用Jeziorny修正的Avrami方程和温度场求解结果计算树脂结晶度分布，依据树脂流相场计算层间空隙分布；随后将这四种关键微观结构特征参数，转化为传统的复合材料代表性体积单元的材料强度、内聚力等热物性参数，实现复合材料增材件微观结构力学特性的准确预测；最后，实现宏观复合材料增材件的力学特性的准确预测；通过热流耦合模型与物理本质知识引导，可实现对涉及繁杂变量复材增材件力学性能的准确预测；同时，复合材料增材过程层间间隙高会抑制纤维损伤，削弱层间结合；层间间隙低会造成较严重的纤维损伤，但增强了层间结合强度；因此在保证纤维损伤较低的情况下获得较强的层间结合是提升复合材料增材件力学综合性能的关键；为达到这一目标，采用增材过程喷嘴阶跃式螺线摆动来缓释纤维内部应力，同时保证了层间间隙不至于过高导致层间压力过低及层间结合变弱；通过这种方法可以在确保层间压力在一定水平基础上，降低一定时间范围内纤维上的应力积累，最终在不引入外界辅助热、力源的情况下，同时实现强层间结合与低纤维损伤，最终获得较优复材增材件综合性能；此外，喷嘴阶跃式螺线摆动轨迹是多个不同高度上空间螺旋线的组合，一个周期内包含一个低水平高度螺线和一个高水平高度螺线，较低高度上螺线摆动幅度较大，较高高度上螺线摆动幅度较小，通过螺线摆动和高度阶跃两种方式，在保证层间维持一定压力的情况下协同降低增材过程纤维应力累积水平，同时保证强层间结合与纤维低损；再次，喷嘴阶跃式螺线摆动轨迹摆动幅度、螺线密度、阶跃高度、长度通过力学性能预测模型来进行优化；最后，低水平高度上螺线摆动幅度范围在0.15-0.35mm，高水平高度上螺线摆动幅度范围在0.1-0.25mm，螺线密度范围在2-10mm-1，阶跃高度范围在0.2-0.8mm，阶跃长度在1-3mm。

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百度查询： 南京航空航天大学 一种基于热流耦合模型的复合材料增材制造件性能预测及强化方法