On the physical relevance of power law-based equations to describe the compaction behaviour of resin infused fibrous materials
On the physical relevance of power law-based equations to describe the compaction behaviour of resin infused fibrous materials
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基于幂律方程的物理相关性来描述树脂浸渍纤维材料的压实行为
DOI：
10.1016/j.ijmecsci.2021.106425
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发表时间：
2021
影响因子：
7.3
通讯作者：
Belnoue J
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Belnoue J
由预浸渍（prepreg）纤维增强聚合物（FRP）制成的结构件（例如20米以上的飞机机翼）的机械性能与材料的中尺度（亚毫米长度）和微尺度（μm长度）密切相关，而这又取决于浸渍树脂的纤维垫的加工方式。尤其重要的是树脂在纤维床中的流动方式，因为它通过控制制造过程中堆叠厚度的变化来影响最终零件的孔隙率和纤维的方向。本文研究了最近提出的一种现象学模型的适用性，该模型能够预测各种预浸料堆在加工条件下的厚度演变。该模型的主要优点之一是，与其他流-压实模型不同，它可以捕捉挤压流和出血流之间的过渡。该模型对各种增强剂（即UD碳，UD玻璃和碳纤维平纹编织）和树脂系统（即第一代和第二代增韧热固性和热塑性树脂）的意义得到了证明。提出了一种新的基于物理的材料参数解释。这就产生了一个关于厚度随时间变化与施加温度和压力循环、树脂粘度以及增强材料的中观和微观几何特征的解析表达式。这一贡献为更好地理解和控制可变性以及增加复合结构设计和制造过程的数字化铺平了道路。
The mechanical performance of structural parts (e.g. a 20m+ aircraft wing) made from pre-impregnated (prepreg) fibre reinforced polymers (FRP) are intimately linked to the material's meso‑scale (sub-mm length) and micro-scale (μm length), which in turns depends upon the way the fibre mat impregnated with resin has been processed. Particularly important is the way the resin flows through the fibre bed, as that influences the level of porosity and the orientation of the fibres in the final part by controlling the stack's change of thickness during manufacture. In this paper, the applicability of a recently proposed phenomenological model, able to predict the thickness evolution of a wide class of prepreg stacks under processing conditions, is investigated. One of the model's main advantages is that, unlike other flow-compaction models, it can capture the transition between squeezing and bleeding flow. The model's significance for a variety of reinforcements (i.e. UD carbon, UD glass and carbon fibre plain weave) and resin systems (i.e. first and second generation of toughened thermoset and thermoplastic resins) is demonstrated. A new physics-based interpretation of the material parameters is proposed. This gives rise to an analytical expression relating the thickness evolution with time to the applied temperature and pressure cycles, the viscosity of the resin, and meso‑ and micro- geometrical characteristics of the reinforcements. The contribution paves the way towards a better understanding and control of the variability and increased digitalisation of the design and manufacturing processes of composite structures.
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DOI：
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