基于响应面法复合材料固化变形影响研究

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.015

复合材料科学与工程 ›› 2026, Vol. 0 ›› Issue (4): 124-131.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260428.015

基于响应面法复合材料固化变形影响研究

刘世宇¹, 牛雪娟^1,2*

1.天津工业大学机械工程学院,天津 300387;
2.天津市现代机电装备技术重点实验室,天津 300387

收稿日期:2025-01-08 发布日期:2026-06-16
通讯作者: 牛雪娟(1977—),女,教授,博士生导师,研究方向为复合材料工艺及制备,niuxuejuan@ tiangong.edu.cn。
作者简介:刘世宇(2000—),男,硕士研究生,研究方向为复合材料固化成型特性。
基金资助:
仿生多相共固微构型 CFRP 的可控合成及热压固化特性研究(23JCZDJC00450)

Study on curing deformation of composite materials using response surface methodology

LIU Shiyu¹, NIU Xuejuan^1,2*

1. School of Mechanical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China;
2. Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory, Tianjin 300387, China

Received:2025-01-08 Published:2026-06-16

摘要/Abstract

摘要： 针对复合材料固化成型残余应力导致固化变形的问题,本文采用顺序热-力耦合的数值模拟方法预测复合材料固化变形。通过热压罐成型工艺制备构件,基于响应面法探究工艺参数对固化变形的影响研究和控制。以各数据点所测数据为基础建立响应面模型,得到最优固化工艺参数。结果表明,通过顺序热-力耦合方式进行数值模拟,构件最大变形与试验结果之间的误差为14.56%。利用响应面优化得到的最优固化工艺,其固化变形的预测值与试验测得的最大变形之间的最大偏差不超过36.17%。相较于传统工艺,优化后最大变形量降低了55.38%。

关键词: 响应面法, 碳纤维复合材料, 固化变形, 优化设计

Abstract: To address the issue of curing deformation caused by residual stress in composite material curing processes, this study aims to predict composite curing deformation using a sequentially coupled thermal-mechanical numerical simulation method. Components were fabricated via the autoclave process. The influence of process parameters on curing deformation was investigated and controlled based on the response surface methodology (RSM). A response surface model was established using measured data points to obtain optimal curing parameters. The results indicate that the maximum deformation error between the numerical simulation (via sequential thermal-mechanical coupling) and experimental results is 14.56%. For the optimal curing parameters derived from RSM optimization, the maximum deviation between predicted curing deformation and experimentally measured maximum deformation does not exceed 36.17%. Furthermore, the optimized maximum deformation is reduced by 55.38% compared to traditional processes.

Key words: response surface method, carbon fiber composite materials, curing deformation, optimization

中图分类号:

TB332

刘世宇, 牛雪娟. 基于响应面法复合材料固化变形影响研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(4): 124-131.

LIU Shiyu , NIU Xuejuan. Study on curing deformation of composite materials using response surface methodology[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2026, 0(4): 124-131.

参考文献

[1] 乔巍, 姚卫星, 黄杰. 考虑模具和黏弹性的复合材料固化变形数值模型[J]. 复合材料科学与工程, 2020(10): 67-74.
[2] WHITE S R, KIM Y K. Process-induced residual stress analysis of AS4/3501-6 composite material[J]. Mechanics of Composite Materials and Structures, 1998, 5(2): 153-186.
[3] DING A X, LI S X, WANG J H, et al. A three-dimensional thermo-viscoelastic analysis of process-induced residual stress in composite laminates[J]. Composite Structures, 2015, 129: 60-69.
[4] 陶裕梅, 郑子君, 邵家儒. 纤维增强复材C形圆台壳件固化变形的预测方法[J]. 航空材料学报, 2022, 42(3): 70-79.
[5] SVANBERG J M, HOLMBERG J A. Prediction of shape distortions Part Ⅰ. FE-implementation of a path dependent constitutive model[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2004, 35(6): 711-721.
[6] 杨智勇, 左小彪, 范春浩, 等. 典型复合材料结构固化变形仿真预测与控制验证[J]. 宇航材料工艺, 2024, 54(2): 54-61.
[7] 王富强, 牛雪娟. 基于固化变形分析优化设计抛物面反射器模具[J]. 复合材料科学与工程, 2025(3): 115-120, 156.
[8] 潘浩东, 李德华, 尹艳华, 等. 碳纤维树脂基复合材料壳体固化过程数值分析[J]. 热固性树脂, 2020, 35(6): 27-32, 37.
[9] SHAH P H, HALLS V A, ZHENG J Q, et al. Optimal cure cycle parameters for minimizing residual stresses in fiber-reinforced polymer composite laminates[J]. Journal of Composite Materials, 2018, 52(6): 773-792.
[10] DOLKUN D, ZHU W D, XU Q, et al. Optimization of cure profile for thick composite parts based on finite element analysis and genetic algorithm[J]. Journal of Composite Materials, 2018, 52(28): 3885-3894.
[11] WHITE S R, HAHN H T. Process modeling of composite materials: residual stress development during cure. Part I. Model formulation[J]. Journal of Composite Materials, 1992, 26(16): 2402-2422.
[12] JOHNSTON A A. An integrated model of the development of process-induced deformation in autoclave processing of composite structures[D]. Vancouver: University of British Columbia, 1997.
[13] KIM Y K, WHITE S R. Stress relaxation behavior of 3501-6 epoxy resin during cure[J]. Polymer Engineering & Science, 1996, 36(23): 2852-2862.
[14] 张江涛, 尚云东, 张梅, 等. 复合材料固化相关黏弹性性能演化及残余应力分析[J]. 复合材料学报, 2017, 34(5): 978-986.
[15] 何靓, 朱攀星, 俆小伟, 等. 复合材料残余应力与固化变形机理及控制研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2022(7): 121-128.
[16] 元振毅, 魏方见, 孔令飞, 等. 模具-复合材料相互作用的复合材料固化变形仿真方法研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023(10): 10-16.
[17] 薛景, 王晓洁, 王喜占, 等. 碳纤维增强树脂基复合材料固化残余应力评估方法研究现状[J]. 固体火箭技术, 2023, 46(2): 253-262.
[18] 毛帮笑, 夏细胜, 王大奎, 等. 基于响应面法的SiO2f/SiO2复合材料多级防潮涂层工艺优化[J]. 航天制造技术, 2023(3): 33-39.
[19] 赵川涛, 贾志欣, 刘立君, 等. 环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品翘曲变形的影响因素分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 59-66.

基于响应面法复合材料固化变形影响研究

Study on curing deformation of composite materials using response surface methodology

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	方家宝, 王兵, 曹京宜, 李想, 倪爱清, 殷文昌, 王继辉. 夹芯复合材料胶螺混接结构强度研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(3): 72-81.
[2]	李嵩, 周金宇, 王培培, 王晓坡, 杨帆, 刘文博, 王荣国. 基于粒子群算法的1bit超宽带编码超表面RCS缩减优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(3): 110-120.
[3]	苏海亮, 位腾腾, 黄伟龙, 韦振校, 周梦凡. 复合材料缠绕管压缩失效机理及吸能特性研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(2): 28-33.
[4]	孙士勇, 马鑫, 汤文杰, 杨睿, 韦磊. 热处理工艺对3D打印连续纤维增强复合材料层间性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(2): 104-110.
[5]	许欣怡, 马连华, 周伟. 基于直接多尺度法的单向纤维复合材料弯曲渐进损伤分析[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(1): 39-44.
[6]	危干军, 杜晨, 扶碧波, 尹红灵, 严岳胜, 彭雄奇. 碳纤维复合材料面齿轮辐板轻量化设计与制造[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(1): 117-123.
[7]	邓裕, 涂昊昀. 基于DIC的短切纤维增韧碳纤维复合材料Ⅰ型层间性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 8-15.
[8]	王岩, 黄永勇, 李毅超. L形复合材料长梁件的倒圆角对其固化变形特性影响规律研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 65-74.
[9]	王锴, 罗俊杰, 姚如洋, 庞通, 贾晓航, 余磊. 碳纤维增强复合材料结构吸能机理及其高效建模方法研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(8): 24-32.
[10]	聂志伟, 罗琦, 霍宇凡, 周何乐子, 周华民. 泡沫芯材C形夹芯板复合材料固化变形仿真[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(8): 86-96.
[11]	陈恒, 马秀菊, 孙龙港, 冒海峰, 周娴. 复合材料固化变形预测及模具型面优化[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(8): 104-110.
[12]	崔九洋, 赵江铭, 郑思民, 郑艳萍. 复合材料-钛合金带衬套螺栓连接拉伸性能的数值模拟分析[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(7): 19-26.
[13]	崔怡, 董娟, 张兴敢, 谭梦华, 刘松年, 赵娟. 碳纤维复合材料层合板铣削力试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(7): 91-98.
[14]	方世锐, 丁安心, 杨帆, 唐自佳, 赵飞. 碳纤维复合材料/三元乙丙橡胶粘接界面性能参数表征与优化[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(6): 85-93.
[15]	李渔, 司晓亮, 黄业园, 李志宝, 段泽民. 碳纤维复合材料雷击损伤及防护试验与仿真研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(4): 68-73.