连续纤维增强热塑性复合材料热压成型工艺研究进展

随着世界范围内能源问题的突显以及对环境保护需求的日益强烈，发展轻质高强复合材料结构、提高能源利用效率已成为航空航天及新能源汽车领域的重大需求之一。为满足轻质、高强和耐久等特性，连续纤维增强热固性复合材料得到了快速发展并受到了广泛的认可。然而，热固性复合材料的回收再利用问题始终是困扰行业进一步发展的难题。连续纤维增强热塑性复合材料（CoFRTP）具有损伤容限高、成型周期短及可回收利用等优点，是解决回收再利用问题的有效途径之一。同时，热压成型工艺作为此类复合材料重要成型方法，得到了学术界和工业界的广泛重视。如图1所示，目前英国国家复合材料中心主导的空客下一代机翼结构“Wing of Tomorrow（WOT）”项目，重点开发单向增强CoFRTP 热冲压成型机翼翼肋结构；同时基于热冲压成型工艺的织物增强CoFRTP 已在空客某些机型机翼前缘构件、机身连接角片及新能源汽车电池包外壳领域得到了应用。

复合材料成型过程伴随着多种外形和结构变化，如纤维重新排布和厚度变化；同时制造过程中可能产生由工艺参数控制不当引发的各种缺陷，导致构件服役过程中出现机械性能衰减或装配问题。引起制造缺陷的原因除工艺相关参数设置不合理外，构件的初始外形和结构设计与成型工艺的匹配性也尤为重要。因此，复合材料构件的制造和应用应综合考虑外形和结构设计、成型工艺、结构验证和服役工况验证等多个环节。针对以上问题，德国慕尼黑工业大学Schug和德国卡尔斯鲁厄理工学院Frank Henning 教授课题组提出了复合材料构件的结构外形设计–成型工艺–结构仿真–服役工况评价一体化平台，旨在提高复合材料工程化应用效率。复合材料构件制造过程中，由于初始外形和结构设计的特殊性及成型工艺的局限性，通常与初始设计有差异。为避免传统低效“试错法”造成的人力物力浪费，提高设计效率，Kärger等提出了复合材料构件工艺迭代优化和结构设计迭代优化技术路线。该技术路线适用于复合材料构件的前期设计阶段：首先进行工艺仿真、验证和迭代优化，当工艺设计达到制造标准要求以后（关键部位无褶皱等缺陷），将成型后的构件外形尺寸、纤维铺层和纤维方向信息映射到结构仿真模型，结合构件应用标准进行结构优化设计、验证和迭代优化。经过多轮迭代，通过不断调整初始构件的初始外形和结构及制造工艺参数，完成复合材料构件设计，进而考虑进行实际制造和规模化生产。

复合材料构件制造过程中产生的缺陷原因有多种，包括初始外形和结构设计不合理导致的现有成型工艺无法实现制造，或者对成型工艺自身特点缺乏理解引起的工艺参数设计不合理等。针对上述问题，可通过以下两种方法解决：

（1）考虑现有制造工艺的特点和特定工艺参数下材料行为变化规律，调整初始几何外形和结构设计，在不影响构件服役要求的前提下实现所制造的构件对初始设计构件的同等替代；

（2）加强对成型原理的认识，优化成型过程中每个步骤的制造工艺参数，确保所制造的产品与初始设计保持一致，或具有可接受范围内的公差。如表1所示，将制造工艺原理的理解分为3个等级。等级1是制造工艺设计者对工艺原理完全不理解，成型工艺是一个“黑箱”，工艺设计完全依赖于低效的人工“试错法”。此阶段所制造的构件通常与预期结构不同，需要进行多次设计修正，最终所制备构件不一定能达到预期结构效果。等级2中工艺设计者对于制造工艺原理部分了解，构件外形和结构初始设计考虑了部分制造工艺影响因素，但因对成型原理的认知不透彻需要多次迭代才能获得可接受的结构，所制造构件不是最优化设计。等级3是对于制造工艺原理完全理解，工艺设计者在初始外形和结构设计中考虑制造工艺的所有影响因素，所制备构件的外形和结构与初始设计完全一致，或者与初始设计有出入，但所制备构件可实现使用空间和结构的优化替换，此等级可实现复合材料构件低成本、高效率设计，减少产品开发周期。

表1 制造工艺理解等级

为了实现对干纱织物铺覆成型和CoFRTP热压成型制造过程理解，商用软件公司开发了相应的成型设计专用仿真软件，包括常见的AniForm和PAM-Form。另外，在非线性计算方面有优势且具有二次开发模块的ABAQUS和LS-Dyna软件近几年也得到广泛应用。基于成型–结构一体化仿真平台，Han等采用热固性复合材料预浸料，对铺覆成型制造工艺和所制备的典型半球形构件结构性能进行仿真分析和验证：首先使用非正交本构模型对铺覆成型过程进行仿真；然后将成型仿真结果数据（构件外形、纤维方向和纤维角度）映射到结构分析模型，对构件结构性能进行压缩仿真并对破坏模式进行了分析，与相应试验对比，该仿真平台得到的结果有较高的可信度。另外，Liang等基于一体化仿真平台，提出了一种多尺度建模的成型–结构仿真方法，研究发现，在构件的拉伸破坏仿真模型中，与不考虑成型工艺引起的变形（纤维角度、纤维方向的变化）相比，考虑变形效应的结构仿真模型对复合材料整体刚度的预测更为准确。

典型CoFRTP热压成型工艺如图2所示，包括预浸料制备、层合板制备、层合板预热、热冲压及冷却脱模5个步骤，每个步骤包括若干材料参数和工艺参数，这些参数通过影响热压过程中材料的变形行为决定热压构件的最终质量。CoFRTP预浸料制备方面，Vaidya 等就浸渍方法的开发和应用展开综述，包括UD单向带（Unidirectional tape）和织物增强预浸料（Organosheets）的制备工艺以及各种工艺的优缺点。邢开和周典瑞等对CoFRTP专用上浆剂和CoFRTP预浸料的制备工艺进行了详细的综述。针对CoFRTP的材料性能表征方法、热压成型工艺和仿真方面，相关文献对成型的各个方面进行了综述。Boisse等对干纱织物和预浸料的面内和面外材料力学性能的不同表征方法及热压过程中产生的各种缺陷进行了全面综述。杨志等对织物复合材料预制体的拉伸、压缩、弯曲、剪切和成型试验等测试方法进行了综述，讨论了不同测试方法的优缺点及适用条件，并对后续的研究工作进行了展望。在热压成型过程的数值仿真方法方面，Bussetta等综述了包括干纱织物、热固性预浸料和CoFRTP的冲压过程的数值建模方法。Baran等总结了热固性复合材料和CoFRTP在固化或冷却阶段残余应力产生机理。Gong等对织物增强CoFRTP 的材料性能表征方法和冲压模拟仿真方法进行了综述。Chen等针对CoFRTP的材料测试方法、成型工艺和仿真方法进展进行了全面综述。

冲压阶段是热压成型工艺重要环节，对构件的成型质量起决定性作用。在冲压阶段，纤维通过滑动、转动和弯曲等大变形实现重分布以适应复杂的三维型面，其变形行为对成型温度、冲压速度、边界条件等工艺参数依赖性较高，成型工艺参数选取不当易导致材料变形不协调，引发褶皱等成型缺陷。在冲压阶段，首先将预热至熔融状态的层压板转移到具有一定温度的冲压模具中，然后以合适的速度进行冲压。由于CoFRTP的温度相关性，成型工艺参数（冲压速度、模具几何形状和温度、边界条件及压边力） 决定CoFRTP构件的最终成型质量。研究表明，冲压阶段中应系统地考虑包括预热温度、转移时间、冲压速度和模具温度在内的成型参数，以确保熔融层合板在冲压步骤期间处于最佳成型温度。同时，由于CoFRTP的率相关特性，模具冲压速度的也会影响材料变形行为，如面内剪切和面外弯曲行为等。对于模具温度和冲压速度工艺参数，研究表明，低温的模具和较慢的成型速度会降低构件的成型质量，主要原因为层压板低温下基体的黏度较高，导致层合板面内剪切刚度升高，冲压过程中纤维转动困难易引起材料成型缺陷。此外，研究发现降低冲压模具曲率半径，可有效提高构件成型质量。

冲压阶段材料典型变形行为如图3所示，根据材料行为产生位置可分为层内变形行为和层间变形行为。其中材料的层内变形行为包括面内行为（面内剪切、压缩和拉伸）和面外行为（面外弯曲）；层间变形行为包括预浸料/预浸料接触行为和预浸料/模具接触行为。构件冲压成型过程中，就材料抵抗冲压变形的能力而言，面内剪切刚度、面外弯曲刚度和层间摩擦力量级相对较低，而沿纤维方向的拉伸模量相对较高。研究表明，材料冲压过程中的变形行为和缺陷与材料的层内和层间力学行为有直接关系，冲压过程中纤维方向和夹角的变化程度与材料的面内剪切刚度相关；冲压过程中面外褶皱缺陷的引发与材料的面内剪切刚度有关，褶皱的数量和幅度与面外弯曲刚度关系密切。因此，冲压成型过程中材料变形行为和缺陷的准确预测，关键在于对材料变形机制的准确把握及相关力学材料行为的准确表征。

热压过程中材料由二维层合板片材冲压成三维复合材料构件，构件最终成型质量与冲压过程中材料行为密切相关。研究中通常将冲压过程中的复合材料变形行为划分为3个尺度，包括微观尺度、介观尺度和宏观尺度。微观尺度是纤维层面建模，变形特征是树脂和单根纤维的剪切应变、伸长应变及其界面的接触增强原理；介观尺度是单束纤维纱线层面建模，变形特征包括纤维束弯曲、剪切变形及树脂在纤维束之间的流动。在与结构层次相关的宏观尺度中，材料变形根据层内和层间机制进行描述；宏观尺度是单层预浸料或层合板层面建模，材料变形原理通常包括层内和层间变形行为。

基于细观法建模仿真方法可以更为真实地反映冲压成型过程中材料变形行为，但由于建模过程中需考虑大量纤维与纤维的接触或界面接触，导致模型过于复杂，对计算时间和计算资源要求较高，实际研究中较少使用该方法。相对细观法建模，介观法在一定程度上降低了成型模型的复杂程度，模型中使用桁架单元、梁单元或弹簧单元对单束纤维建模，面内行为如面内剪切刚度使用二维薄膜单元或者壳单元建模，该方法在最大限度考虑材料性能的同时，对模型进行了简化，提高计算效率。Jauffrès等针对TWINTEX®热塑性混编织物热压成型过程，提出一维和二维单元混合介观建模法，该方法中的一维单元用于单纱的拉伸行为描述，二维单元用于面内剪切行为建模。Dangora等基于以上方法，使用单向增强CoFRTP，对防弹头盔热压成型过程进行仿真，并使用试验对模型进行验证。Harrison等使用桁架单元和薄膜单元分别对面内的拉伸行为和剪切行为进行建模，该方法用于预测混编热塑性织物热冲压过程中的面内剪切变形。

宏观建模法在一定程度上简化了成型模型，忽略部分次要力学行为，提高了建模和计算效率。模型中材料变形行为如层内变形通过二维单元（薄膜单元或者薄壳单元）建模，层间行为通过接触单元建模。典型宏观法建模流程如图4所示。宏观建模法的难点在于层内变形的面内拉伸行为和面外弯曲行为的解耦。现有商用软件中薄膜单元无厚度，无法对面外弯曲刚度进行有效建模，薄壳单元通常基于经典Mindlin或Kirchhoff理论，单元中面外弯曲刚度由面内拉伸模量计算得到，二者为耦合关系。现实中织物或熔融状态的热塑性预浸料面外弯曲刚度较小，直接使用单层壳单元会导致面外弯曲刚度过大，降低仿真模型精度。孔令国等对干纱织物的面内拉伸、面内剪切和面外弯曲行为进行表征，然后通过宏观建模法，解耦面内剪切刚度和面外弯曲刚度，将材料行为通过Fortran语言写入壳单元，对干纱织物铺覆成型过程进行仿真，并对结果进行了验证。Haanappel等以典型CoFRTP机翼前缘热压构件成型为例，从材料表征方法、成型建模方法和成型验证3个方面完整呈现了CoFRTP成型全过程。

织物增强复合材料建模中，为了克服宏观法无法精确描述单纱形态和介观法无法精确描述接触行为的缺点，Boisse等提出基于宏观法和介观法的半离散法。该方法通过将材料行为本构写入单元的单胞的方式来计算节点力，通过此方式可将材料拉伸行为、面内剪切及面外弯曲刚度在离散单元中单独描述。半离散法的优点是在介观层面上精确描述材料行为，同时能在宏观层面进行仿真计算，提高设计效率。Liang等采用基于三角壳单元的半离散方法，解耦面内拉伸和面外弯曲力学行为，对织物增强预浸料热压过程进行仿真，同时研究了热压过程中引起的褶皱大小与面外弯曲刚度的关系。Chen等提出了一种基于实体壳单元的半离散法对碳纤维织物增强聚苯硫醚（CF/PPS）成型过程进行仿真，模型中考虑了包括拉伸、面内剪切和压缩行为的层内力学行为。Wang等提出了基于壳单元的半离散法，对碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）热压过程进行了仿真，模型中考虑面内剪切、面外弯曲、层间滑移等关键力学行为。

2.1.1 面内剪切材料本构建模方法

基于客观率的Jaumann率和Green-Naghdi率次弹性本构模型是面内剪切大变形研究中广泛应用的模型。如图5（a）所示，次弹性本构大变形通常由Green-Naghdi框架{ei}、非正交纤维框架{gi}（协变基）和其对偶基{gi}（逆变基）坐标系组成，该模型早期通常作为复合材料本构方程用于干织物或热塑性混编复合材料成型仿真研究。Badel等基于平纹织物成型过程中大变形的特点，建立Jaumann率和Green-Naghdi率次弹性本构模型，结合ABAQUS仿真结果对比了两种方法的有效性。基于上述模型，Machado等开展了织物增强CoFRTP热压成型仿真和试验工作，使用三次多项式函数，提出了玻纤增强聚丙烯（GF/PP）织物增强CoFRTP的剪切角速率相关本构模型。如图5（b）～（d）所示，沿曲面表面曲线分布的剪切角仿真结果可以较好地对应试验结果。在以上工作基础上，Machado等进一步考虑了面内剪切刚度的温度相关性，用以研究成型温度和成型速度对剪切角分布的作用规律。另外，基于Badel等提出的次弹性模型，Dörr等重点开展面外弯曲刚度的率相关性研究，并通过半球型和典型汽车用复杂结构件的热压成型验证了模型的可靠性。

次弹性本构的主要缺点是闭环加载路径不可恢复，基于具有独立加载路径的势能理论的超弹性本构模型可有效规避该缺点。超弹性本构模型的特点是存在一个存储能量函数，并在整个加载过程中假设没有能量耗散。超弹性材料本构模型在早期阶段广泛应用于织物的冲压成型仿真，Aimène等考虑大应变下织物的张力和剪切变形能量，提出了一种超弹性模型。基于以上方法，Peng等开发了一种由纤维拉伸和纤维面内剪切应变能组成的超弹性本构模型，用于干织物的大变形分析。Gong等考虑基体、纤维和纤维–纤维–基体剪切相互作用应变能，进一步改进超弹性本构模型，该模型可用于织物材料的热冲压过程仿真。此外，Guzman-Maldonado等提出了一种非线性率相关的超黏弹性模型，该模型使用超弹性模型考虑张力和弯曲能的同时，使用广义Maxwell模型对面内剪切的黏弹性进行描述。Hu提出了一种基于压缩能量的超黏弹性方法并通过织物增强尼龙片材的热压成型试验进行了验证。

理想纤维增强材料模型（IFRM）属于超弹性模型范畴，是最早用于织物增强复合材料成型的连续介质力学方法之一，由Rogers首次引入到复合材料成型领域。Harrision等将IFRM材料本构模型应用于GF/PP混编织物的面内剪切行为建模中，同时该方法还用于双球顶几何形状的冲压成型仿真，为了评估该类模型对成型过程的仿真效果，使用次弹性本构模型进行了对比分析。Haanappel等基于AniForm软件中的IFRM模型研究了CETEX@C1200UD带材和CETEX@GF/PPS织物增强片材热压成型过程中材料变形机理。Dörr等采用相同的方法对面内膜行为进行建模，并基于各向异性黏弹性模型对面外弯曲行为进行建模，结果表明基于Voigt-Kelvin的本构模型更适合于褶皱缺陷的预测。为了提高模拟方法的准确性，Dörr等进一步考虑了IFRM模型的材料行为温度相关性，提出了一种热–力耦合方法对热压成型开展研究。

2.1.2 面内剪切模型应用进展

面内剪切模型用于模拟镜框剪切、偏轴拉伸和冲压成型中织物或者复合材料大变形行为，预测成型过程中纤维走向和纤维夹角变化规律。与干纱织物冲压预成型不同，CoFRTP热压过程需考虑材料本构的率相关和温度相关性，工艺参数研究多集中于模具冲压速度、预浸料预热温度、转移时间和模具温度等因素对纤维夹角和纤维方向的影响。基于与速率和温度无关的面内剪切本构模型，Wang等提出了一种多层复合材料冲压模拟模型，模拟结果表明，在第7层的拐角处最大剪切角为48°，与试验结果得到的42°吻合较好；尽管该模型可以准确预测某恒定温度下材料变形规律，但需根据成型条件更换材料本构，无法实现成型温度的连续变化。近期研究集中于成型过程中面内剪切行为的速率或温度相关的模型开发。Guzman-Maldonado等提出了一种面内剪切行为的率相关本构，该模型使用非线性超黏弹性本构方程，用于热冲压过程的面内剪切变形行为的研究，并对不同成型温度和冲压速度工艺参数对面内剪切角的影响进行了讨论，结果表明构件中最大剪切角随着温度的升高而增加，剪切角随着冲压速率的降低而增加。基于以上工作，Guzman-Maldonado等继续提出了温度–率相关本构，评估热压过程中的材料变形行为，结果表明所建模型可以较好地预测构件整体形状和局部剪切角变化，与试验结果一致性高。Machado等基于次弹性本构提出了一种率–温度相关的面内剪切模型，研究温度和成型速度对剪切角分布的作用规律，对比恒温成型和非恒温成型仿真结果，发现恒温模型并不适用于低速成型仿真，主要原因为模具低速运动下预浸料散热严重，导致模型中的材料温度与实际温度差异较大。张学文等基于Machado等温度–率模型，对热冲压成型工艺参数包括模具温度、压边圈压力和预浸温度对初始褶皱的作用规律进行了研究，并对成型工艺参数进行了优化。

2.2.1 面外弯曲材料本构建模方法

考虑到实际成型的CoFRTP厚度相对较薄且均匀连续，薄膜单元和基于壳理论的壳单元被广泛用于热冲压工艺仿真。由于热塑性预浸料的面外弯曲刚度相对较小，早期成型仿真中通常只考虑面内拉伸和面内剪切行为，后经研究发现，面外弯曲刚度对热冲压成型过程中褶皱缺陷的数量和大小起着重要作用，因此近期研究在材料本构模型中考虑面内膜行为的同时，重点开展面外弯曲行为研究。目前干纱织物或CoFRTP热压成型数值建模方法是将所有材料本构方程赋予到传统薄膜单元或者壳单元中，包括面内拉伸和面内剪切以及面外弯曲性能等。然而，由于传统壳理论中面内拉伸模量和面外弯曲刚度的耦合作用，干纱织物或熔融状态下热塑性预浸料的实际面外弯曲刚度远小于商业软件中传统壳理论提供的数值。

因此，如何解耦面内和面外材料行为，实现面外弯曲刚度的准确建模是研究热点之一。采用单元层叠法解耦面内和面外材料行为是目前常用的方法之一。如图6（a）所示，Nishi等通过夹心膜单元和偏移壳单元的方式提出一种单元叠加法，该方法同时考虑了面内（薄膜单元）和面外（两层偏移壳单元）材料属性。Iwata等将该方法引入碳纤维织物的铺覆成型仿真研究。孔令国等基于以上思路对干纱织物进行建模并研究了压边力对干纱织物铺覆成型的作用规律。Dörr使用壳单元共享节点法描述面外弯曲行为，用于热压仿真模型中CF/PA UD单向带材料的建模。Haanappel等提出用于CoFRTP成型仿真的离散基尔霍夫理论（DKT）壳单元，该方法可在一个单元内有效解耦材料的面内和面外变形行为。基于以上方法，Dörr等基于ABAQUS的VUEL 子模块编写DKT壳单元并结合超弹性模型，对CF/PA UD单向带复合材料热压成型过程进行仿真，如图6（b）所示。Liang等基于虚功定理对面内拉伸和面外弯曲进行解耦，研究了面外弯曲刚度对褶皱缺陷的作用规律。另外，针对面外弯曲刚度的非线性建模是目前研究的另一个热点，部分研究将面外弯曲刚度假设为定值，在整个成型过程中保持不变。近期研究表明，冲压成型过程中保持面外弯曲刚度恒定会导致褶皱形状失真，Yu等改进经典悬臂梁面外刚度测试方法，结合3D点云成像法，对无屈曲干纱织物（NCF）弯曲外形进行数学建模，建立弯矩与曲率的非线性关系。Poppe等首先基于41.5°悬臂梁弯曲测试试验结果，对比恒定面外弯曲刚度模型和非线性弯曲刚度模型的合理性，发现前者弯曲样条轨迹线与试验结果差异较大，而非线性弯曲刚度模型可以准确地预测样条弯曲轨迹，如图7所示。Yu等基于干纱织物半球形铺覆成型试验，对比面外弯曲刚度的线性本构和非线性本构对仿真精度的影响（图8）发现非线性本构的结果与试验结果吻合较好。另外，Dörr等针对率相关性和温度相关性的非线性面外弯曲刚度开展了系统的研究。

2.2.2 面外弯曲模型应用进展

褶皱是CoFRTP热压构件中最常见的缺陷之一。在褶皱形成机理方面，面内材料行为是引发褶皱的主要原因，初期褶皱预测仿真模型集中在面内行为的描述，随着热压工艺研究的进展，研究人员发现面外弯曲刚度是准确地预测褶皱的重要因素，该因素决定褶皱的数量和尺寸。在褶皱形成工艺因素方面，成型过程中褶皱的形成很大程度上取决于材料增强类型、铺层顺序、成型速度、边界条件和成型温度等工艺参数。考虑到热压成型工艺参数的复杂性和多样性，如何有效提高褶皱预测精度、降低褶皱缺陷一直是成型仿真的研究热点之一。

研究早期阶段集中于热–率无关的仿真模型开发。Haanapple提出了考虑面内膜行为、面外弯曲行为及摩擦行为的成型模型，对比CF/PEEK单向带和GF/PPS织物增强片材的成型机理。研究中以典型机翼前缘构件为目标，对比仿真和试验结果表明，在加强筋区域中，CF/PEEK单向带构件更易产生褶皱，该模型正确预测了构件外形和褶皱位置。Poppe等研究了层合板铺层顺序对褶皱的影响，仿真和试验结果均表明，与准各向同性铺层相比，具有正交铺层的层合板具有更好的成型性。Wang等提出考虑层间摩擦接触的多层仿真模型，用于预测温度梯度对成型过程中褶皱产生的作用规律，结果表明，在成型过程中面内剪切刚度的重新分布是引发褶皱的主要原因。

研究中期阶段集中于率相关的仿真模型本构开发。Guzman-Maldonado等基于非线性超黏弹性本构模型描述率相关面内剪切行为，用于研究冲压速度对成型过程中褶皱的影响，结果表明成型过程中层合板温度的降低会导致褶皱量的增加，主要原因为较低的温度会使面内剪切刚度升高，导致在成型过程中产生更多的褶皱。另外，Dörr等提出了考虑率相关的面外弯曲刚度数值模型，用于典型复杂构件成型，结果表明，使用广义Maxwell本构模型可有效预测褶皱缺陷。此外，Dörr等提出基于DKT单元的超黏弹性本构方程描述层内材料变形行为，模拟结果表明，Voigt-Kelvin本构模型更适用于恒温假设下的褶皱预测。

近期研究集中于率–温度相关的仿真模型本构开发。Guzman-Maldonado等提出了基于率和温度相关的超弹性本构模型，用于提高仿真模型预测精度。Dörr等在率相关模型基础上提出了热–力耦合仿真方法，用于预测热冲压过程中引起的褶皱；该方法中的热模型考虑了热辐射、热对流和热传导相关的热行为以及半结晶基体（PA6）的结晶行为；该模型可以同时考虑材料熔融态和固态的转变；与恒温模拟方法相比，热–力耦合模型仿真得到的褶皱形状和数量更为真实。Chen等基于Dangora等工作，考虑面内剪切刚度的热–率相关性和面内拉伸、面外弯曲的热相关性，解耦面内/外材料的变形行为，对单向增强CoFRTP层合板热压成型过程进行仿真，并使用验证的仿真模型对成型工艺参数进行研究，用以指导实际工艺参数设置，提高成型工艺设计效率，如图9所示。

2.3.1 层间滑移行为建模方法

复合材料成型过程层间接触包括预浸料/预浸料间接触及预浸料/模具间接触。干纱织物或热塑性混编织物层间接触属于库仑摩擦，根据摩擦理论，当两个表面粗糙的接触面发生相对滑移，摩擦力与接触面表面粗糙度及施加在其表面的正压力有关。对于完全熔融状态CoFRTP预浸料，层间接触表面有一层树脂流体润滑层，层间接触属于纯流体静力学摩擦接触范畴，此时摩擦力与接触面的树脂基体黏度、厚度和相对滑动速率直接相关；对于实际层间接触表面，可能既存在库仑摩擦又存在纯流体静力学摩擦，属于混合摩擦。复合材料常用摩擦模型有两个，其一是Murtagh等引入到连续纤维增强复合材料成型的滑移模型，该模型假定预浸料和模具之间树脂层为纯流体静力学接触，摩擦定律与层间接触树脂的黏度有关。对于以上模型的使用，Akkerman等基于热塑性混编织物几何形状和基体材料的性能，使用介观法结合雷诺方程迭代推导出接触层树脂厚度，并对使用模型开展了热成型相关研究。关于复合材料摩擦的另一个经典模型是Stribeck曲线，该模型将整个接触过程分为3个阶段，树脂未开始熔化阶段（边界润滑）、树脂软化变黏阶段（混合润滑）和树脂熔化阶段（流体动力润滑）。

2.3.2 层间滑移模型应用进展

在热冲压成型过程中，模具/预浸料滑移及预浸料/预浸料相对运动会导致接触摩擦，从而显著影响局部材料变形行为。因此，相关研究针对不同接触摩擦本构建立仿真模型，研究接触摩擦对成型过程中材料变形的作用规律。Guzman-Maldonado等以多层干纱织物铺覆成型为研究对象，基于ABAQUS 现有罚函数接触模块，研究模型中摩擦系数对成型的作用规律，研究发现，随着摩擦系数的增加，褶皱量增加，铺层之间的相对滑移减小，如图10所示。Harrison等对热塑性混编织物热压成型开展研究，设定5.0和3.0两种不同的恒定摩擦系数进行数值模拟，研究热压成型过程中摩擦系数对面内剪切角的影响，结果表明，由于层间剪切刚度减小，后者可以观察到更多的剪切区域。Gorczyca-Cole等基于经典Stribeck模型，拟合摩擦系数μ与Hersey 数的曲线，通过摩擦试验得到相应经验方程。基于摩擦模型定义用户子程序进行热冲压过程仿真，结果表明，模具/预浸料滑移的摩擦系数与模具温度直接相关，数值模型中应考虑Hersey数。Chen等使用多层复合材料进行热压成型，将内聚力模型应用到三维内聚元素中建立层间接触，模拟结果显示，成型温度为320℃时层间滑移显著。模具/预浸料滑移机理方面，与温度相关的树脂黏度对摩擦系数影响显著，应在模拟建模中予以考虑。基于增量拉格朗日乘子算法，Wang等使用纯流体静力学接触本构建立热压过程数值模型。此外，Fetfatsidis等利用基于压力和率相关的修正Hersey数库仑摩擦模型，研究模具/预浸料滑移以及预浸料/预浸料滑移机制。由于摩擦与冲压压力有关，有必要在热压过程中考虑可变摩擦系数。Dörr等基于经典库仑力模型考虑摩擦速率和接触系数的作用，提出层间滑移本构。李林秀等研究了CF/PPS预浸料热变形成型中的滑移行为，采用自行设计制作的测试系统，对织物预浸料、单向预浸料的滑移行为进行了表征，并考虑了温度、法向压力、速度对滑移行为的影响。

图10 摩擦系数对多层干纱织物成型的作用规律

热压成型工艺作为CoFRTP重要成型方法之一，由于成型效率高和生产成本低等优势得到广泛的关注。但该工艺涉及成型参数多，构件制备过程中易产生工艺缺陷。对热压制造工艺的充分理解是实现高质量制造的关键。对制造工艺原理的把握可分为3个等级，最高等级可实现构件低成本、高效率设计，减少产品开发周期。成熟商用有限元软件是连接CoFRTP热压成型机理与应用的重要桥梁。冲压阶段作为热压成型工艺重要环节，对构件的成型质量起决定性作用。纤维在冲压阶段通过滑动、转动和弯曲等大变形行为实现重分布以适应复杂的三维型面，其变形行为对温度、冲压速度、边界条件等工艺参数依赖性较高，成型工艺参数选取不当易导致材料变形不协调，引发褶皱等成型缺陷。对冲压阶段中材料变形行为和制造缺陷的准确预测，关键在于对材料变形机制的准确把握及相关力学材料行为的准确表征。基于材料变形机制和材料行为的宏观建模仿真方法在一定程度上简化了成型模型，提高了建模和计算效率。尽管目前对以上内容开展了部分研究工作，但对材料成型基础性能标准、面内面外材料力学行为本构、有限元单元等重点方面的研究仍存在较大的挑战，解决以上问题是热压成型突破应用技术瓶颈的关键。

未来工作中，进一步发展具有介观–宏观多尺度耦合的建模方法是提高预测精度和降低计算成本的有效途径。此外，为提高有限元模型仿真精度，有必要在数值模型中进一步考虑材料行为的非线性和率–温度相关性。另外考虑实际成型工况，由模具和材料的温差引起的材料相态转变（熔融态和固态）有必要在模型中进一步体现，以提高仿真结果的可靠性，需要进一步开发基于设计–成型–冷却–结构一体化迭代优化平台，以预测各环节对构件制造质量和制造成本的影响，其中各环节之间的有限元接口开发是下一步的重点。因此，真正实现热压工艺在CoFRTP构件中的高效应用，仍存在诸多挑战。