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大型复合材料模具内置循环水加热系统设计研究

作　者: 戴春晖
导　师: 曾竟成
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 风电叶片复合材料模具热固化循环水加热有限元
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

复合材料叶片是风力发电机的关键部件之一,由于尺寸巨大,叶片生产过程中无法采用常规方式对其加热,致使树脂固化时间过长,严重影响生产效率。本文在对复合材料模具加热方式进行筛选后,选择循环水作为内置热源对风电叶片大型复合材料模具进行加热。通过对模具传热过程的分析,建立了简化的模具传热模型并采用有限单元法求解该模型在不同设计变量下的瞬态温度场分布。数值分析结果表明,水管材质和管内流体的运动状态对加热效果影响很小,模具结构层采用碳纤维复合材料、提高环境温度以及减小管壁厚度、水管内径和水管间距可以获得更好的加热效果,而循环水温度、结构层和保温层厚度对加热效果的影响有利有弊。结合本文的工程背景,在ANSYS优化设计模块中对模具内置管路设计参数进行了优化。采用修正后的优化结果制作了小段风电叶片模具并对其温度场分布进行了测量,结果表明,实测模具温度分布状况与计算值基本吻合,表明本文基于模具温度场有限元分析的内置加热管路设计方法可以在工程中采用。采用VIMP工艺分别制备了常温固化和循环水加热固化两种复合材料制件并对制件性能进行了测试。结果表明,相比常温固化试样,采用循环水加热固化试样的固化时间减少了75%,树脂对纤维的浸渍时间减少了42%,制件厚度减少了2.79%,固化度提高了9%,力学性能提高了36～57%,表明模具内置循环水加热系统对复合材料制件的生产具有积极意义。

全文目录

目录  4-7
图目录  7-9
表目录  9-10
摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-22
  1.1 复合材料风电叶片概述  12-16
    1.1.1 风力发电与与风力发电机  12-15
    1.1.2 复合材料风电叶片开发现状  15-16
  1.2 风电叶片生产过程中的树脂固化问题  16-21
    1.2.1 风电叶片树脂固化方式  16-17
    1.2.2 循环水加热的优点  17-19
    1.2.3 计算机辅助工程(CAE)在模具设计中的应用  19-21
  1.3 本文的研究内容  21-22
第二章内置循环水加热模具传热模型的建立与求解  22-37
  2.1 模具传热问题的数值解法  22-27
    2.1.1 模具内置管路设计方案  22-23
    2.1.2 模具温度场的求解方法  23-24
    2.1.3 模具简化传热模型的建立  24-27
  2.2 模具传热模型的设计变量及模型求解  27-29
    2.2.1 模具传热模型的设计变量  27-28
    2.2.2 模具传热模型的有限元求解  28-29
  2.3 对流换热系数计算  29-32
    2.3.1 模具与空气间自然对流换热系数计算  29-30
    2.3.2 循环水与管壁强制对流换热系数计算  30-32
  2.4 数值计算相关材料参数测量  32-36
    2.4.1 试样制备  32
    2.4.2 测试内容及测试方法  32-35
    2.4.3 测试结果  35-36
  2.5 小结  36-37
第三章传热模型设计变量对模具加热效果影响的数值分析  37-58
  3.1 模具加热效果的评价指标  37-38
  3.2 传热模型设计变量对模具加热效果的影响研究  38-57
    3.2.1 结构层材质及厚度对加热效果的影响  38-45
    3.2.2 水管材质及管壁厚度对加热效果的影响  45-47
    3.2.3 管内流体运动状态对加热效果的影响  47-48
    3.2.4 循环水温度对加热效果的影响  48-50
    3.2.5 环境温度对加热效果的影响  50-52
    3.2.6 保温层厚度对加热效果的影响  52-53
    3.2.7 水管内径对加热效果的影响  53-55
    3.2.8 水管间距对加热效果的影响  55-57
  3.3 小结  57-58
第四章模具内置管路优化及循环加热系统总体设计  58-68
  4.1 模具内置管路优化  58-64
    4.1.1 优化设计的方法和原理  58-59
    4.1.2 优化变量的确定  59-62
    4.1.3 优化分析文件的建立及优化方法的选择  62-63
    4.1.4 优化结果及分析  63-64
  4.2 循环水加热系统总体设计方案  64-66
  4.3 小结  66-68
第五章模具实际加热效果考察  68-78
  5.1 内置循环管路复合材料模具的制备  68-70
  5.2 模具加热效果考察及与计算值的对比  70-73
  5.3 模具试用效果考察  73-77
    5.3.1 复合材料试样的制备  73-74
    5.3.2 试样性能的考核对比  74-77
  5.4 小结  77-78
第六章总结与展望  78-80
  6.1 全文总结  78-79
  6.2 不足与展望  79-80
致谢  80-81
参考文献  81-85
攻读硕士期间学术论文发表情况  85-86
附录: 主要符号表  86

大型复合材料模具内置循环水加热系统设计研究

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