考虑温度效应的干纤维预制体压缩蠕变模型

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28513

材料工程与机械制造

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考虑温度效应的干纤维预制体压缩蠕变模型

司衍鹏¹, 孙立帅¹, 闫恩玮¹^,², 李玉军¹, 蒋建军¹()

^1.西北工业大学机电学院，西安 710072
^2.中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089

收稿日期:2023-02-01 修回日期:2023-02-20 接受日期:2023-03-15 出版日期:2023-11-25 发布日期:2023-03-21
通讯作者: 蒋建军 E-mail:jianjun@nwpu.edu.cn
基金资助:
中央高校基本科研业务费(D5000220202);陕西省重点研发计划(2020ZDGY01-01)

Compression creep model of dry fiber preform considering temperature effect

Yanpeng SI¹, Lishuai SUN¹, Enwei YAN¹^,², Yujun LI¹, Jianjun JIANG¹()

^1.School of Mechanical Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.AVIC Xi’an Aircraft Industry Group Company Ltd. ，Xi’an 710089，China

Received:2023-02-01 Revised:2023-02-20 Accepted:2023-03-15 Online:2023-11-25 Published:2023-03-21
Contact: Jianjun JIANG E-mail:jianjun@nwpu.edu.cn
Supported by:
Fundamental Research Funds for the Central Universities(D5000220202);Key Research and Development Program of Shaanxi Province(2020ZDGY01-01)

摘要/Abstract

摘要：

纤维织物预制体蠕变/回复行为的描述对于模拟复合材料的制造过程至关重要。为分析与预测CF3031干纤维预制体在预成型过程中的厚向变形行为，进行了干纤维预制体的蠕变/回复实验，并对实验结果进行计算分析，建立了材料本构模型。首先，采用最小二乘法原理和叠加原理对比分析不同蠕变计算模型对CF3031干纤维预制体蠕变/回复实验数据的蠕变部分及整体拟合效果。结果表明，Burgers模型整体计算效果优于其他模型。而后，在传统Burgers模型的基础上，提出了1个单方程形式且适用于不同的蠕变应力和预成型温度的材料模型，用于描述干纤维织物预制件时间依赖性的厚向蠕变/回复行为。模型系数根据实验数据分析及最小二乘法获取。最后，将建立的本构模型用于预测新设计的实验结果，结果显示实验曲线与模型预测曲线基本吻合，证明了该方法的有效性。

关键词: 干纤维预制体, 蠕变, 蠕变/回复, 本构模型, 机械测试, Burgers模型

Abstract:

The description of the creep/recovery behavior of the fiber fabric preform is crucial for modeling the production of composite materials. The creep/recovery experiment of the CF3031 dry fiber preform was carried out， the experimental results were calculated and analyzed， and the material constitutive model was established to analyze and predict the thick deformation behavior of the CF3031 dry fiber preform in the preforming process. To evaluate and analyze the creep component and overall fitting impact of several creep calculation models on the creep/recovery test data of the CF3031 dry fiber preform， the least square method principle and the superposition principle are first utilized. The findings demonstrate that Burgers model is superior to other models. Then， a single equation material model suited for various creep stresses and preform temperatures is presented to describe the time-dependent thick creep/recovery behavior of dry fiber fabric preforms on the foundation of the conventional Burgers model. The least squares approach and analysis of experimental data were used to derive the model coefficients. The results show that the experimental and model prediction curves are essentially consistent， demonstrating the efficiency of the procedure. Finally， the experimental outcomes of the new design are predicted using the constitutive model developed in this research. The findings demonstrate the usefulness of this approach by demonstrating that the experimental curve is essentially compatible with the model prediction curve.

Key words: dry fiber preform, creep, creep/recovery, constitutive model, mechanical testing, Burgers model

中图分类号:

V261.97

司衍鹏, 孙立帅, 闫恩玮, 李玉军, 蒋建军. 考虑温度效应的干纤维预制体压缩蠕变模型[J]. 航空学报, 2023, 44(22): 428513-428513.

Yanpeng SI, Lishuai SUN, Enwei YAN, Yujun LI, Jianjun JIANG. Compression creep model of dry fiber preform considering temperature effect[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(22): 428513-428513.

图/表 30

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参考文献 23

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	方向	数值或设置
织物结构		斜纹
面密度/（g·m^-2）		220±7
织物厚度/mm		0.25±0.02
尺寸变化率/%		1.3±0.3

织物密度/（tow·（100 mm）^-1）	经向	50±2
织物密度/（tow·（100 mm）^-1）	纬向	50±2

拉伸断裂强度/（N·25 mm）	经向	≥1 900
拉伸断裂强度/（N·25 mm）	纬向	≥1 900

序号	预成型温度/℃	蠕变应力/MPa
1	25	0.3
2	25	0.5
3	25	0.8
4	40	0.3
5	50	0.3
6	60	0.3

实验条件	a	b	c	R²	RMSE
25 ℃-0.3 MPa	0.385 0	0.200 2	0.015 51	0.721 3	0.004 782
25 ℃-0.5 MPa	0.465 2	0.152 9	0.015 51	0.905 1	0.001 315
25 ℃-0.8 MPa	0.536 0	0.118 7	0.015 51	0.911 2	0.001 299
40 ℃-0.3 MPa	0.354 0	0.330 3	0.015 51	0.852 7	0.002 293
50 ℃-0.3 MPa	0.291 1	0.492 4	0.015 51	0.901 5	0.003 692
60 ℃-0.3 MPa	0.131 4	0.661 8	0.015 51	0.891 3	0.003 683

实验条件	E₀/MPa	η₀/（MPa·s）	E₁/MPa	η₁/（MPa·s）	E₂/MPa	η₂/（MPa·s）	η₃/（MPa·s）	R²	RMSE
25 ℃-0.3 MPa	0.641 1	2.136 0	7.013 0	7.699	2.668 0	0.056 3	187 000 0	0.937 4	0.002 3
25 ℃-0.5 MPa	1.162 0	0.002 8	7.055 0	332.900	4.411 0	0.044 6	332.900	0.758 5	0.002 1
25 ℃-0.8 MPa	27.380 0	0.030 4	0.788 9	491.400	112.700 0	110.400 0	491.400	0.922 6	0.001 2
40 ℃-0.3 MPa	2.375 0	0.101 8	15.550 0	268.500	0.970 7	0.000 9	268.500	0.854 9	0.002 3
50 ℃-0.3 MPa	9.325 0	0.037 9	0.402 7	4.893	1 455.000 0	6.098 0	4.893	0.847 5	0.004 6
60 ℃-0.3 MPa	2.539 0	0.005 3	3.127 0	78.900	0.526 4	0.044 0	78.900	0.919 7	0.003 2

实验条件	E₀/MPa	η₀/（MPa·s）	E₁/MPa	η₁/（MPa·s）	R²	RMSE
25 ℃-0.3 MPa	1.158 0	0.040 50	0.923 4	107.40	0.971 7	0.001 5
25 ℃-0.5 MPa	1.098 0	0.054 04	1.155 0	402.30	0.981 9	0.000 6
25 ℃-0.8 MPa	2.424 0	0.036 90	2.480 0	431.30	0.950 2	0.001 0
40 ℃-0.3 MPa	0.948 0	0.039 63	0.679 3	97.65	0.972 3	0.000 9
50 ℃-0.3 MPa	8.678 0	0.040 80	0.403 7	63.30	0.872 0	0.004 2
60 ℃-0.3 MPa	0.437 7	0.095 20	2.896 0	69.01	0.977 5	0.001 7

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Compression creep model of dry fiber preform considering temperature effect

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实验条件	a	b	R²	RMSE
25 ℃-0.3 MPa	0.587 0	0.011 5	0.766 8	0.004 4
25 ℃-0.5 MPa	0.617 9	0.005 3	0.775 3	0.002 0
25 ℃-0.8 MPa	0.654 4	0.005 0	0.662 7	0.002 5
40 ℃-0.3 MPa	0.732 1	0.006 7	0.854 3	0.002 3
50 ℃-0.3 MPa	0.783 2	0.011 9	0.729 0	0.006 1
60 ℃-0.3 MPa	0.793 2	0.012 9	0.891 9	0.003 7

实验条件	E₀/MPa	η₀/（MPa·s）	E₁/MPa	η₁/（MPa·s）	E₂/MPa	η₂/（MPa·s）	η₃/（MPa·s）	R²	RMSE
25 ℃-0.3 MPa	0.540 1	0.140 3	1.889 0	0.865 9	0.067 6	0.139 0	0.457 7	0.998 0	0.003 7
25 ℃-0.5 MPa	0.839 4	0.112 6	0.200 0	0.215 7	0.641 6	0.136 3	1.334 0	0.922 5	0.027 9
25 ℃-0.8 MPa	1.269 0	0.109 6	0.095 8	0.517 8	1.185 0	1.635 0	1.326 0	0.999 5	0.002 2
40 ℃-0.3 MPa	0.442 0	0.113 7	0.468 9	0.021 4	0.136 3	0.113 7	1.103 0	0.807 1	0.028 0
50 ℃-0.3 MPa	0.420 3	0.150 8	0.079 6	0.046 7	1.275 0	0.152 4	0.327 4	0.805 3	0.020 1
60 ℃-0.3 MPa	0.577 7	0.198 0	0.798 7	0.032 7	0.933 8	0.199 6	1.110 0	0.788 4	0.016 2

实验条件	E₀/MPa	η₀/（MPa·s）	E₁/MPa	η₁/（MPa·s）	R²	RMSE
25 ℃-0.3 MPa	0.580 8	0.100 3	4.112 0	797 700 0	0.997 9	0.003 7
25 ℃-0.5 MPa	0.896 0	0.079 4	8.227 0	26 690	0.999 3	0.002 3
25 ℃-0.8 MPa	1.333 0	0.080 9	14.510 0	10 110	0.999 8	0.002 3
40 ℃-0.3 MPa	2.918 0	0.037 1	0.454 6	1 172	0.973 4	0.010 4
50 ℃-0.3 MPa	2.987 0	0.042 4	0.440 0	1 082	0.973 5	0.007 4
60 ℃-0.3 MPa	3.074 0	0.048 0	0.432 9	1 004	0.971 2	0.006 0

实验条件	a	b	c	R²	RMSE
25 ℃-0.3 MPa	0.504 4	0.478 0	0.015 5	0.970 8	0.013 5
25 ℃-0.5 MPa	0.783 8	0.261 6	0.015 5	0.963 6	0.015 5
25 ℃-0.8 MPa	0.805 6	0.219 1	0.015 5	0.985 4	0.011 6
40 ℃-0.3 MPa	0.419 0	0.343 6	0.015 5	0.941 2	0.015 2
50 ℃-0.3 MPa	0.231 3	0.552 9	0.015 5	0.927 5	0.012 3
60 ℃-0.3 MPa	0.071 9	0.722 4	0.015 5	0.899 4	0.011 2

实验条件	a	b	R²	RMSE
25 ℃-0.3 MPa	0.587 6	0.012 5	0.995 3	0.005 6
25 ℃-0.5 MPa	0.618 1	0.006 5	0.998 0	0.003 8
25 ℃-0.8 MPa	0.654 7	0.005 1	0.998 8	0.003 5
40 ℃-0.3 MPa	0.762 6	0.007 0	0.948 6	0.014 5
50 ℃-0.3 MPa	0.784 2	0.010 9	0.935 9	0.011 6
60 ℃-0.3 MPa	0.794 3	0.014 3	0.903 6	0.011 0

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序号	T/℃	σ₀/MPa	σ₁/MPa	t₀/h
1	25	0.5	0.1	0.120
2	45	0.7	0.2	0.198
3	55	0.6	0	0.600