热塑性复合材料感应焊接的加热机制

摘要整理

热塑性碳纤维复合材料层板在感应焊接过程中产生的热量可归因于文献中讨论的三种加热机制中的一种或多种组合：(i) 纤维的焦耳热；(ii) 聚合物的焦耳热和/或介电加热；(iii) 纤维间接触电阻加热。关于这三种加热机制中哪一种最主导的问题仍未解决。本研究通过有限元仿真来解答这一问题，采用自主开发的基于Whitney单元的感应焊接仿真工具箱(WelDone)和商用软件ANSYS Maxwell进行多层次仿真。首先，利用WelDone进行层板级仿真，确定沿纤维方向、垂直于纤维方向或厚度方向中哪个方向产生的热量最多；其次，使用ANSYS Maxwell在微观层面(纤维内部和树脂内部)模拟固体损耗，分别考虑有无树脂的情况，并显式建模不同层纤维间的接触。数值仿真结果表明，在层板级别上，大部分热量在纤维方向和厚度方向产生。前者对应纤维的焦耳热，后者可归因于聚合物的焦耳热和/或纤维间接触电阻加热。然而，纤维级仿真揭示了纤维间接触和无接触条件相比树脂存在的影响，对固体损耗的影响均很小。基于此，厚度方向的热生成被归因于第二种加热机制：聚合物的焦耳热。需要说明的是，由于感应焊接的工作频率相对较低，忽略了聚合物的介电加热。

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