1. 引言
复合材料的固化过程涉及复杂的多物理场耦合，包括树脂流动、化学反应放热和残余应力生成。本文旨在探讨如何利用Abaqus构建完整的仿真链，覆盖固化过程的全生命周期。
2. 仿真流程框架
仿真链分为三大模块，通过顺序或耦合分析实现：
– 树脂流动模型：模拟树脂的黏性流动及纤维预浸料的渗透行为。
– 固化反应模型：分析温度场与固化度的动态耦合关系。
– 热应力模型：预测残余应力及变形。
3. 树脂流动模拟
方法与工具选择
– 达西定律简化模型：将树脂流动视为多孔介质渗透，利用Abaqus/Standard的用户子程序（如`UMAT`）定义达西定律的渗透率与黏度关系。
– CFD扩展分析：通过Abaqus/CFD模块或联合ANSYS Fluent进行高精度流动模拟（需数据交互）。
关键参数
– 树脂黏度随温度变化的模型（Arrenhius方程）。
– 纤维预浸料渗透率（各向异性或均匀假设）。
实现步骤
1. 定义多孔介质材料属性（纤维体积分数、渗透率张量）。
2. 使用用户子程序更新黏度随温度/固化度变化的行为。
3. 设置流体边界条件（注射压力、自由流动面）。
4. 固化反应建模
热-化学耦合分析
– 控制方程：
\[
\rho C_p \frac{\partial T}{\partial t} = \nabla \cdot (k \nabla T) + \rho H_r \frac{d\alpha}{dt}
\]
其中，\(\alpha\)为固化度，\(H_r\)为反应热。
– 固化动力学模型：采用Kamal方程描述固化度演化：
\[
\frac{d\alpha}{dt} = (k_1 + k_2 \alpha^m)(1-\alpha)^n
\]
\(k_1, k_2\)为温度相关参数，通过Arrhenius方程定义。
Abaqus实现
1. 用户子程序`UMATHT`定义热传导方程中的反应热项。
2. 使用`USDFLD`动态更新材料属性（如树脂模量）随固化度的变化。
5. 热应力分析
顺序耦合方法
1. 温度场映射：将固化阶段的温度分布作为结构分析的输入。
2. 材料属性更新：固化度相关的弹性模量、热膨胀系数（`DEPVAR`或`USDFLD`）。
残余应力计算
– 采用Abaqus/Standard进行热-机械耦合分析。
– 边界条件考虑模具约束和自由收缩区域。
6. 多物理场耦合与数据交互
– 耦合策略：
– 顺序耦合：分步传递温度、固化度和变形数据。
– 部分耦合：在Abaqus中通过`Co-simulation`联合Standard和Explicit模块。
– 自动化脚本：利用Python脚本批量处理结果传递（如ODB文件操作）。
7. 模型验证与简化假设
– 实验对标：红外测温（温度场）、DSC（固化度）、应变片（残余应力）。
– 计算效率优化：
– 宏观均匀化假设替代微观尺度模型。
– 使用对称边界条件和粗网格加密策略。
8. 案例应用示例
以碳纤维/环氧树脂层合板为例：
1. 树脂填充阶段：达西模型模拟纤维浸润，预测孔隙率分布。
2. 固化反应分析：温度-固化度耦合曲线与实验对比误差小于5%。
3. 脱模变形预测：仿真结果与工业CT扫描的翘曲趋势一致。
9. 挑战与展望
– 多尺度建模：结合微观孔隙结构与宏观性能预测。
– 实时工艺优化：联合机器学习算法实现固化参数自动调优。
结语
通过整合Abaqus的多模块功能及用户子程序，可实现复合材料固化全流程的高效仿真，为工艺优化提供理论支撑。未来需进一步探索高精度耦合算法与数据驱动的模型融合。
