由于具有轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀等优点,碳纤维增强聚合物基复合材料已广泛应用于航空航天、汽车、风电、船舶、运动器材等领域。然而在碳纤维增强聚合物基复合材料固化成型过程中,其内部不可避免地会产生残余应力,可能导致复合材料结构件力学性能、结构稳定性和耐久性等性能下降。因此,分析碳纤维增强聚合物基复合材料结构件在模具内固化成型及其内应力演变过程,调控复合材料结构件的脱模变形,实现高精度、低缺陷、低成本的制备目标,解决制约复合材料结构件在航空航天、风电、船舶等领域大规模应用的瓶颈问题,具有重要的科学意义和工程应用价值。纤维增强聚合物基复合材料固化成型过程涉及传热、固化生热、化学收缩、热膨胀、应力松弛等过程。为表征上述过程,本文首先建立了热化学和三维粘弹性本构模型,然后在ABAQUS软件中结合子程序USDFLD、HETVAL、UMAT和UEXPAN建立合适的有限元模型,并通过和文献结果对比对其进行了验证。在碳纤维增强聚合物基复合材料实际应用过程中,为了满足各种各样的载荷条件,会设计不同形状的结构件,其中L型和T型结构件是两种典型的组件,已经引起广泛的关注。本文使用验证过的模型模拟分析了 L型复合材料结构件在固化成型过程中变形的演变规律,并探究了模具约束方式对变形的影响。对于T增强的蒙皮装配体,加强筋在结构件整体性能中发挥重要作用。本文调查了加强筋对装配体固化过程中应力集中、应力重新分布、变形的影响。然后,为了分析残余应力和变形对加强筋尺寸的依赖性,本文中建立了一系列不同加强筋尺寸(不同的倒角半径、法兰长度和纵梁高度)的装配体。最后,总结了残余应力和变形对加强筋尺寸的敏感程度。为了原位监测层合板在固化成型过程中温度和应变的演变,光纤光栅温度传感器和应变传感器被埋入复合材料层合板中。通过将监测的应变与模拟的结果对比,评估监测到的应变的可靠性。结果表明,对于L型复合材料结构件,热固化成型结束后,结构件会产生spring-in现象。当有模具约束时,如果模具与结构件之间可以自由滑动,则脱模之后的变形量相对于没有模具约束的情况会减小;如果模具与结构件之间没有相对滑移,则脱模之后的变形量相对于没有模具约束的情况会增大很多,而且变形量随着模具热膨胀系数的增加有所增加。对于T增强的蒙皮装配体,整体的残余应力主要对倒角半径敏感,而蒙皮组件的残余应力对加强筋尺寸几乎不敏感;装配体的最大变形分布在蒙皮组件上,其主要对法兰长度敏感。对于光纤光栅传感器监测,光纤光栅温度传感器监测到的温度可以准确反映复合材料层合板中的实际温度;光纤光栅应变传感器监测到的应变不能准确表征复合材料层合板固化早期阶段的实际应变,但是当树脂和光纤光栅之间的界面强度增加到可以有效传递树脂应变时,监测到的应变变化和实际的应变变化可以很好的匹配。