聚碳酸酯构件注塑成型-冲击响应的一体化计算与优化设计

Concerning the influences of injection molding process on the material's yield stress and structural prestress, this project focuses on the integrated computing and optimization of injection molding process and impact response of Polycarbonate (PC) transparent products in aeronautical and aerospace applications, such as the aircraft windshield and astronaut helmet visor. The yield stress of PC influenced by the processing thermal history and the structural prestress induced by the warpage after injection molding will be evaluated. A constitutive model combining the influence of processing thermal history will be developed to characterize the mechanical behavior of PC. An integrated computing method which incorporates the processing-affected yield stress and structural prestress into the impact response simulation will be proposed. Based on the integrated computing, the mechanisms of influences of injection molding process parameters on the impact response of PC product will be investigated in detail. An optimization methodology will be developed to optimize the injection molding process parameters to improve the impact resistance of PC product, which will extend effectively the design space for PC product. This project will achieve the key progresses in: (a) the constitutive model of PC with the combination of processing thermal history; (2) the influence mechanisms of the process on the impact response of PC product. This project is expected to provide scientific guidance on designing the aeronautical and aerospace PC products with high impact resistance.

针对飞机座舱风挡、航天员头盔面窗等航空航天领域透光性聚碳酸酯（Polycarbonate，简称PC）构件，本项目充分考虑注塑成型对材料屈服应力与结构预应力的影响，重点开展PC构件注塑成型-冲击响应的一体化计算与优化设计研究。通过计算成型温度历史相关的材料屈服应力、成型后构件因翘曲变形形成的结构预应力，发展耦合成型温度历史的PC本构模型，建立PC构件注塑成型-冲击响应一体化计算方法。在此基础上，研究成型工艺参数对冲击响应的影响规律与机制，有效拓展PC构件抗冲击性能设计空间，建立面向抗冲击性能的注塑成型工艺优化设计方法。研究成果将解决耦合成型温度历史的PC本构关系建模、成型工艺对PC构件冲击响应影响机制分析关键科学问题，为研发高抗冲击性能航空航天PC构件提供科学指导。

针对航空航天领域高性能聚合物如聚碳酸酯、环氧树脂及其复合材料，本项目充分考虑成型过程对结构残余应力的影响，重点开展了成型-性能的一体化计算与优化设计研究。提出了应变率/温度载荷相关的聚合物非线性粘-弹-塑本构模型，实现了覆盖温度-60℃—120℃、应变速率10-5/s—104/s载荷条件的聚合物变形破坏精准预测；针对碳纤维增强环氧树脂基复合材料，建立了热压固化成型的热/化/力多场耦合分析方法，量化表征了成型过程中结构温度场、固化度场与残余应力场，阐明了成型各阶段的结构温度与固化度分布不均是造成残余应力的主要原因；通过引入固化成型过程中形成的非均匀残余应力场，建立了成型—性能一体化计算框架，定量描述了固化成型过程对树脂基复合材料结构非线性大变形和损伤破坏的影响；发展了面向高性能固化成型的多场工艺参数优化方法，针对升温速率、保温温度、保温时间等工艺参数设计变量，建立了固化工艺曲线优化设计模型，通过固化全周期温度差与固化度差的优化调控，实现了树脂基复合材料的高性能固化成型。本项目形成的碳纤维树脂基复合材料固化成型工艺优化技术，应用于我国航空航天领域，为飞机复合材料壁板、航天复合材料壳体等高端装备复合材料结构成型制造提供了固化成型工艺优化方案。研究成果发表论文21篇，其中SCI检索论文17篇，申请和授权发明专利10项，发表英文专著1部，培养博士研究生1人、硕士研究生5人，作为团队负责人获得陕西省重点科技创新团队，作为第1完成人获2020年陕西省科技工作者创新创业大赛一等奖，作为第4完成人获2020年陕西省自然科学一等奖。