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本课题来源是国家自然科学基金“树脂在双尺度多孔纤维预制体中的非饱和渗流机理与数值模拟研究”,项目编号:51073125。
先进树脂基复合材料技术在航空和汽车工业中发挥着越来越重要的作用,世界主要工业化国家为了解决高性能、低成本复合材料关键技术,都制定了相应的中长期研究计划。LCM工艺中树脂在增强体纤维间的流动被考虑为多孔介质的渗流运动,一般只能采用数值方法求解,目前,大多数渗流分析都采用确定性分析方法,其中多尺度有限元法是近几年来提出的非常有效的数值计算方法,通过满足相应的定解问题来构建基函数,能够反映多孔介质渗流运动的物理实质,而且可以有效的抓住大尺度解的特征而不需要在精细尺度上计算,克服了传统有限元方法的缺点。然而树脂中每一点的渗透系数均可看成随机变量,那么将这种随机性引入到多尺度有限元分析中,即形成随机多尺度有限元法。由于渗透系数的随机性,因此对渗流场进行随机多尺度有限元分析是很有必要的。
本文的主要工作和成果如下:
1.本文分别介绍了随机有限元法和多尺度有限元法,将两种方法结合成一种新的方法-随机多尺度有限元法,然后介绍了随机多尺度有限元法的基本原理,包括随机变分法、随机多尺度基函数的构建和随机多尺度有限元法的解三个方面,给出了用随机多尺度有限元法解椭圆型方程的基本方法。
2.本文的主要工作是建立LCM工艺中树脂充模过程的数学模型,然后运用随机多尺度有限元法来求解该模型并编写相应的算法,最后利用计算机模拟技术编写相应的程序对整个过程进行数值模拟。
3.分别用传统的有限元法和随机多尺度有限元法对树脂充模过程进行理论分析并利用计算机进行数值模拟,并对两种算法的计算结果进行分析比较,验证了该算法的可行性。通过对树脂流动的数值模拟,分析了树脂流动轨迹和充模时间;模拟了不同压力作用下预制件内的压力分布情况。
本文的研究结果验证了算法的可行性,为LCM这种复合材料成型技术奠定了理论基础,为优化成型工艺参数,模具设计及产品质量控制提出了一种新的算法。