热塑性机织纤维复合材料是二十一世纪汽车轻量化的发展方向和重要途径之一。热塑性机织物预浸料热冲压成型工艺以其高效率、低成本、易于机械自动化等优势,得到了广泛的关注。复合材料预浸料热冲压成型过程涉及大变形、各向异性和多场耦合等复杂热力学问题,使得现有的用于金属材料的冲压成形理论基础和设备以及工艺不能直接扩展到热塑性二维机织物复合材料成型上。因此,本文的目的是通过力学实验和理论分析,研究热塑性二维机织物预浸料在热成型状态下的力学特征,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论和有限元方法(FEM),建立表征热塑性二维机织物预浸料的力学本构模型,提出热塑性二维机织物预浸料热冲压成型的分析模型。将其应用于热塑性二维机织物预浸料热冲压成型过程的有限元仿真,结合实验研究二维机织物预浸料热冲压成型的变形规律和力学行为,探讨模具设计参数与成型工艺参数等对热冲压成型的影响规律,找出碳纤维二维机织物预浸料热冲压成型中的典型缺陷和主要影响因素。为热冲压成型工艺在复杂曲面热塑性纤维机织复合材料构件制造上的应用奠定理论基础,使得热塑性纤维机织复合材料适应汽车工业等批量大、成本低、效率高的生产特点成为可能,加快我国纤维复合材料在汽车轻量化应用进程。针对该研究目标,通过进行合理的假设,将研究问题进行适当的分解,逐步递进。主要研究内容为如下三点:(1)为了更好地表征二维机织物增强体的力学性能,为后续预浸料本构模型研究打下坚实的基础,以碳纤维二维平衡平纹机织布为研究对象,结合实验探究、理论推导和数值仿真方法,对二维机织物的拉剪耦合力学特性进行了较为系统的研究。研究结果表明,虽然在镜框剪切试验中拉剪耦合是非线性的,随着预拉力的增加,变形所需的剪切力增大,但是通过对比不同压边力作用下的冲压成型实验与模拟仿真的结果,发现拉剪耦合效应在二维平纹机织物冲压成型工艺中对成型结果没有明显的影响。故此在后续二维机织物预浸料本构模型开发过程中可以忽略拉剪耦合效应,降低预浸料本构模型的复杂程度,使其应用更加便捷。(2)针对热塑性纤维二维机织物预浸料的本构建模,提出了考虑树脂基体及其与纤维束之间相互作用的各向异性超弹性本构方程。该本构方程基于连续介质力学理论,将材料变形过程中的应变能分解成三个部分,第一部分是由处于熔融状态的树脂基体变形所产生的应变能,第二部分是由经纱、纬纱方向所产生的拉伸应变能,第三部分是由在熔融树脂基体阻尼作用下经纱、纬纱之间夹角的变化而产生的剪切应变能,仅包含5个材料参数。所提出的预浸料超弹性本构模型利用热塑性玻璃纤维二维机织物预浸料的单向拉伸及偏拉试验数据进行数据拟合并验证,并通过有限元软件ABAQUS中自定义用户材料子程序模块UANISOHYPER_INV应用于热塑性预浸料的双球形壳类零件热冲压成型的计算机数值仿真。通过比较数值仿真结果和实验结果,发现提出的各向异性超弹性力学本构模型能够表达纤维机织增强复合材料在大变形情况下的各向异性和非线性的力学性能,但是对成型过程起皱等重要缺陷无法达到直观的反应和预测,同时由于文献中实验数据的限制,无法考虑温度和成型速率等重要工艺参数的影响。(3)为了表征热塑性二维机织物预浸料在成型中的热力学特征及实际变形情况,基于有限元方法与连续介质力学理论创造性地提出了一种通用叠层模型。根据在热成型温度下热塑性二维机织物预浸料的组成和结构特征,采用三维体单元表征上下两层热塑性树脂基体,采用壳单元表征中间层纤维机织物增强体,构成一种三明治结构。在研究热塑性树脂熔融状态下的本构模型中,引入了一种基于现象的宏观热力耦合粘超弹性本构模型。对于经过树脂浸润的纤维机织物增强体,采用所提出的考虑纤维束与树脂基体相互作用的超弹性本构模型。通过ABAQUS用户材料子程序UANISOHYPER_INV和UMAT,利用FORTRAN语言对树脂基体与二维机织物增强体两种本构模型进行编译,并通过for文件合并,用于热塑性复合材料叠层模型进行了碳纤维二维机织物增强PPS预浸料不同温度下偏拉试验的数值模拟,与实验结果进行了对比,验证了叠层模型的可靠性和有效性。同时,研究了不同工艺参数(主要是温度和压边力)对热塑性复合材料成型性能和起皱缺陷的影响。研究表明,热塑性复合材料的成型起皱缺陷与这两种因素都有非常紧密的联系。合适的工艺参数选择,能够保证成型件的质量,防止起皱缺陷的产生,为实际生产加工过程提供了重要的参考依据。