預(yù)浸帶鋪放過程溫度場動態(tài)仿真與實驗研究

楊 濤，申艷嬌，楊素君，李志猛，牛雪娟

(1.天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300387)

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預(yù)浸帶鋪放過程溫度場動態(tài)仿真與實驗研究

楊 濤1，2，申艷嬌1，2，楊素君2，李志猛2，牛雪娟2

(1.天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300387)

為了測量鋪放過程中粘合點溫度峰值和復(fù)合材料的溫度場分布，構(gòu)建了基于LabVIEW的溫度場在線測量系統(tǒng)。實驗中預(yù)浸帶鋪放5層，熱風(fēng)槍穩(wěn)定溫度為200 ℃。實驗結(jié)果表明，隨著鋪放過程的進行，每一層預(yù)浸帶的溫度曲線都出現(xiàn)多個峰值，且峰值逐漸降低，其中第1個峰值即為粘合點溫度，平均分別為80.1、91.4、101.3、113、108.3 ℃，比較可知，各層預(yù)浸帶粘合點溫度逐漸升高。同時，建立了預(yù)浸帶鋪放溫度場有限元模型，利用ANSYS中的生死單元以及循環(huán)加載技術(shù)模擬了預(yù)浸帶動態(tài)鋪放過程。有限元模擬結(jié)果中的粘合點溫度分別為71.8、96.2、104.3、107.9、105.3 ℃，與實驗結(jié)果相比誤差可控制在10%以內(nèi)，且粘合點溫度越高，其準(zhǔn)確性越好。

預(yù)浸帶鋪放；溫度場分布；動態(tài)仿真；實驗

0 引言

復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)由于其生產(chǎn)效率高、質(zhì)量可靠性高、制造成本低等優(yōu)勢，現(xiàn)在歐美部分發(fā)達(dá)國家已將此技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空大型復(fù)合材料構(gòu)件的制造中[1-5]。復(fù)合材料預(yù)浸帶在鋪放過程中，其內(nèi)部的溫度歷程非常復(fù)雜。預(yù)浸帶鋪放過程中不同的溫度梯度會引起復(fù)合材料內(nèi)部熱應(yīng)力和熱變形，進而引起材料的早期破壞。鋪放過程中的溫度歷程對復(fù)合材料構(gòu)件成型后的機械性能有很大的影響，因此研究復(fù)合材料預(yù)浸帶在鋪放過程中的溫度場分布有重要意義。

目前，在國外已經(jīng)有很多關(guān)于復(fù)合材料鋪放過程中溫度場的研究。Grove[6]通過建立二維有限元模型研究了單一激光熱源下鋪帶過程的溫度歷程。Beyeler等[7]運用二維有限差分技術(shù)分析了激光加熱鋪帶過程中的熱傳導(dǎo)各向異性現(xiàn)象。Trende A等[8]引入與溫度相關(guān)的參數(shù)，建立了熱塑性復(fù)合材料層合板的雙帶壓層過程的數(shù)學(xué)模型。Guan X等[9]研究了熱空氣作為熱源時熱塑性復(fù)合材料鋪放過程中的熱傳導(dǎo)問題。目前國內(nèi)對復(fù)合材料鋪放成型的研究工作主要集中在鋪放軌跡規(guī)劃[10]、軟件技術(shù)開發(fā)[11]、控制系統(tǒng)研制[12]和工藝參數(shù)優(yōu)化[13]等方面，對鋪放過程中溫度場的研究工作較少，且多集中在理論研究部分，缺少復(fù)合材料鋪放過程的實驗研究。本課題組前期已經(jīng)進行了復(fù)合材料鋪放過程中溫度場的數(shù)學(xué)模型建立及有限元仿真[14-15]。

本文通過自行構(gòu)建的溫度場在線測量系統(tǒng)，對鋪放過程中粘合點溫度峰值和復(fù)合材料的溫度場分布進行測量。同時針對實驗建立溫度場有限元模型，對預(yù)浸帶鋪放過程進行動態(tài)仿真，分析整個鋪放過程中的溫度場分布和隨時間變化情況，并將有限元分析結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比分析。

1 實驗

1.1 實驗材料及裝置

實驗材料為炭纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料(SK化工有限公司)，牌號為USN175B，其單層厚度為0.171 mm，寬為50 mm。

為進行預(yù)浸帶的鋪放，自行搭建了預(yù)浸帶鋪放實驗平臺。步進電機通過絲杠傳動帶動鋪放頭平穩(wěn)、勻速地移動；熱風(fēng)槍和壓輥分別固定于鋪放頭上，通過調(diào)整固定熱風(fēng)槍的3個臂，從而自由調(diào)節(jié)熱風(fēng)槍的角度，同時壓輥位置也可進行上下調(diào)整，從而調(diào)節(jié)壓輥施加于預(yù)浸帶的壓力；鋪放頭的上方安裝1個導(dǎo)向輥，通過調(diào)整導(dǎo)向輥和壓輥之間的垂直距離，可調(diào)節(jié)待鋪放預(yù)浸帶和基體之間的角度。

為實現(xiàn)對鋪放過程中各層預(yù)浸帶溫度的在線采集和存儲，構(gòu)建了實時溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由溫度采集部分、信號調(diào)理部分、信號采集部分和數(shù)據(jù)存儲部分組成，如圖1。

由預(yù)浸帶鋪放實驗平臺和實時溫度采集系統(tǒng)組成溫度場在線測量系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對鋪放過程中復(fù)合材料各個部分溫度的實時監(jiān)測。該溫度測量系統(tǒng)將LabVIEW 與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來，利用E型熱電偶作為溫度測量元件，對預(yù)浸帶鋪放過程中的溫度進行實時采集，之后通過溫度變送器對熱電偶輸出的電信號進行放大和濾波，數(shù)據(jù)采集卡對溫度變送器輸出的電壓進行采集，然后輸入到計算機，最后計算機通過LabVIEW程序?qū)㈦妷褐缔D(zhuǎn)換為溫度值，以便進行存儲和分析。

圖1 鋪層溫度采集系統(tǒng)

1.2 實驗過程

實驗中鋪放的預(yù)浸帶為5層，每次鋪放長度為500 mm，熱風(fēng)槍穩(wěn)定溫度為200 ℃，鋪放頭以10 mm/s的速度移動，將5個熱電偶Tc1～Tc5分別放置在芯模與第1層預(yù)浸帶和每2層預(yù)浸帶界面之間的中點處，如圖2所示。當(dāng)對第1層預(yù)浸帶進行鋪放時，首先把熱電偶放置在芯模表面，鋪放頭經(jīng)過時，熱電偶Tc1和芯模表面同時被熱風(fēng)槍加熱，因此Tc1的溫度隨著芯模表面一起變化，鋪放頭移走以后，熱電偶Tc1便被第1層預(yù)浸帶覆蓋。以此類推，當(dāng)5層預(yù)浸帶全部鋪放完畢時，5個熱電偶便全部被放置在復(fù)合材料基體內(nèi)部。這樣，鋪放過程中溫度信號的實時采集工作完成。之后，在LabVIEW平臺上進行編程，對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行處理，使溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)存儲起來，便于后續(xù)分析。

圖2 熱電偶放置示意圖

2 動態(tài)仿真

為了與實驗進行對比，利用ANSYS建立溫度場有限元模型，對預(yù)浸帶鋪層過程進行動態(tài)仿真，仿真中的各參數(shù)與實驗中的相同。

2.1 有限元模型及邊界條件

有限元模型中網(wǎng)格單元選用4節(jié)點平面單元Plane55，該單元具有二維熱傳導(dǎo)能力，每個節(jié)點有1個溫度自由度。創(chuàng)建高0.855 mm、長500 mm的矩形作為復(fù)合材料，高10 mm、長500 mm的矩形作為芯模。溫度場模型邊界條件為：整個模型的初始溫度為5 ℃；鋪層之前，芯模、預(yù)浸帶、輥子、芯模左右及下邊界溫度均相等，固定為室溫值5 ℃；輥子移動速度恒定；受熱風(fēng)槍高溫?zé)釟饬鳑_擊區(qū)域為對流熱傳導(dǎo)，表面處氣體溫度為200 ℃；未受高速氣流沖擊區(qū)域為自然對流下的熱傳導(dǎo)和熱輻射混合傳熱，表面處氣體溫度為5 ℃。鋪放過程中熱風(fēng)槍噴出的高溫?zé)釟饬骷礊闊彷d荷，假設(shè)熱風(fēng)槍有效載荷長度為10 mm。復(fù)合材料有限元模型和邊界條件如圖3。

圖3 有限元模型及邊界條件

2.2 動態(tài)載荷及有限元分析

預(yù)浸帶鋪放是一個動態(tài)的過程，本文利用ANSYS中的生死單元以及循環(huán)加載技術(shù)解決復(fù)合材料自身形態(tài)和載荷分布變化的問題，其流程如圖4。

圖4 求解流程圖

有限元模型建立后，對各節(jié)點施加5 ℃的初始溫度約束，并殺死所有待鋪放復(fù)合材料單元。從圖4可看出，每一次求解都要做以下處理：增加1個載荷步；復(fù)活即將進行鋪放的復(fù)合材料單元，使鋪放過程中預(yù)浸帶被實時添加到基體中；刪除上一步中的載荷并在新的單元節(jié)點上重新施加熱載，實現(xiàn)移動載荷的施加。

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果

利用自行搭建的鋪放實驗平臺進行多次預(yù)浸帶鋪放實驗，采用構(gòu)建的實時溫度采集系統(tǒng)對鋪放過程中的溫度進行在線采集，圖5為3次溫度測量結(jié)果。

(a)第1次實驗過程

(b)第2次實驗過程

(c)第3次實驗過程

從各圖中單層溫度曲線可看出，隨著鋪放過程的進行，每層預(yù)浸帶的溫度曲線都出現(xiàn)多個峰值，且峰值逐漸降低，其中第1個峰值即為粘合點溫度；由各層之間的粘合點溫度比較可知，各層預(yù)浸帶粘合點溫度逐漸升高。其原因在于，對于任何一個熱電偶來說，隨著鋪放層數(shù)的增加，不斷有新的預(yù)浸帶覆蓋其上，使得熱風(fēng)槍對其影響越來越小，因此其溫度上升程度越來越小，即單層溫度曲線峰值逐漸降低；同時，由于溫度的累計效應(yīng)，使得各層的溫度峰值即粘合點溫度逐漸上升。

3.2 仿真結(jié)果

通過ANSYS建立溫度場有限元模型，對預(yù)浸帶鋪層過程進行動態(tài)仿真。在模型鋪放的每層中間處都取1個節(jié)點，記錄預(yù)浸帶鋪放過程中各層溫度隨時間的變化情況，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 有限元模擬鋪放過程中各層預(yù)浸帶溫度-時間曲線

圖7 有限元模擬對第5層進行鋪放時各層預(yù)浸帶溫度-時間曲線

對圖6和圖7進行分析，隨著鋪放過程的進行，每層預(yù)浸帶的溫度曲線都出現(xiàn)多個峰值，且峰值逐漸降低；各層預(yù)浸帶粘合點溫度逐漸升高，由此可看出有限元模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致。

有限元模擬結(jié)果中的粘合點溫度及3次實驗結(jié)果中粘合點溫度分別列于表1。對有限元模擬結(jié)果和3次實驗結(jié)果平均值進行比較，可得各粘合點溫度之間的誤差分別為11.5%、5.0%、2.8%、4.8%、2.9%，平均誤差為5.4%。通過上述分析可以看出，本文構(gòu)建的炭纖維預(yù)浸帶自動鋪放過程中溫度場在線測量系統(tǒng)與有限元仿真有比較理想的吻合度，二者誤差可控制在10%以內(nèi)，且粘合點溫度越高，其準(zhǔn)確性越好。

表1 實驗與有限元模擬粘合點溫度對比

4 結(jié)論

(1)利用自行搭建的鋪放實驗平臺進行預(yù)浸帶鋪放實驗，實驗中鋪放的預(yù)浸帶為5層，每次鋪放長度為500 mm，熱風(fēng)槍穩(wěn)定溫度為200 ℃，鋪放頭以10 mm/s的速度移動。實驗結(jié)果表明，隨著鋪放過程的進行，同層預(yù)浸帶的溫度曲線都出現(xiàn)多個峰值，但峰值逐漸降低。其原因在于，隨著鋪放層數(shù)的增加，不斷有新的預(yù)浸帶覆蓋其上，使得熱風(fēng)槍對其影響越來越小，因此其溫度上升程度越來越小，即單層溫度曲線峰值逐漸降低。

(2)每層預(yù)浸帶溫度曲線多個峰值中的第1個即為粘合點溫度，平均分別為80.1、91.4、101.3、113、108.3 ℃；由比較可知，各層預(yù)浸帶粘合點溫度逐漸升高。其原因在于，隨著鋪放層數(shù)的不斷增加，由于溫度的累計效應(yīng)，使得各層的溫度峰值即粘合點溫度逐漸上升。

(3)預(yù)浸帶鋪放是一個動態(tài)的過程，本文利用ANSYS中的生死單元以及循環(huán)加載技術(shù)解決復(fù)合材料自身形態(tài)和載荷分布變化的問題，建立了溫度場動態(tài)有限元模型。有限元模擬結(jié)果中的粘合點溫度分別為71.8、96.2、104.3、107.9、105.3 ℃，與實驗結(jié)果相比誤差可控制在10%以內(nèi)，且粘合點溫度越高，其準(zhǔn)確性越好。

[1] 杜善義,關(guān)志東.我國大型客機先進復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)對策略思考[J].復(fù)合材料學(xué)報,2008,25(1):1-10.

[2] Grimshaw M N,Grant C G,Diza J M L.Advanced tech-nology tape laying for affordable manufacturing of large composite structures [C].M46th International SAMPE Symposium.2001:2484-2494.

[3] Timothy G G.Advanced composites manufacturing [M].New York:John Wiley & Sons,1997:32-83.

[4] Yoshiaki S,Tomohiro I.Low cost towpreg for automated fiber placement[J].SAMPE Journal,2004,40(2):66-69.

[5] Falchi A,Greffioz A,Ginbach E.Automatic laying of unidirectional prepreg tapes on compound surfaces[C]//M.European Conference on Composite Materials.1990:135.

[6] Grove S M.Thermal modelling of tape laying with continuous carbon fibre-reinforced thermoplastic[J].Composites,1988,19(5):367-375.

[7] Beyeler E P,Guceri S I.Thermal analysis of laser-assisted thermoplastic-matrix composite tape consolidation[J].Journal of Heat Transfer,1988,110(2):424-430.

[8] Trende A,?str?m B T,W?ginger A,et al.Modelling of heat transfer in thermoplastic composites manufacturing:double-belt press lamination[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,1999,30(8):935-943.

[9] Guan X,Pitchumani R.Modeling of spherulitic crystallization in thermoplastic tow-placement process:heat transfer analysis[J].Composites Science and Technology,2004,64(9):1123-1134.

[10] 戴維蓉,楊濤,王天琪,等.基于自由曲面構(gòu)件的纖維變剛度鋪放路徑規(guī)劃[J].固體火箭技術(shù),2014,37(2):262-266.

[11] 還大軍,李勇,吳海橋,等.復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)研究 (Ⅲ)——平面鋪帶 CAD/CAM 軟件開發(fā)[J].宇航材料工藝,2007,37(1):47-50.

[12] 張建寶,文立偉,肖軍,等.自動鋪帶成型壓力控制技術(shù)[J].航空學(xué)報,2009,30(10):1973-1977.

[13] 黃文宗,孫容磊,張鵬,等.基于響應(yīng)曲面法的自動鋪放工藝參數(shù)分析與優(yōu)化[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2013 (4):I0037-I0044.

[14] 李志猛,楊濤,杜宇,等.熱塑性預(yù)浸絲鋪放過程中溫度場數(shù)學(xué)模型及其仿真[J].宇航材料工藝,2012,42(3):20-23.

[15] Li Z,Yang T,Du Y.Dynamic finite element simulation and transient temperature field analysis in thermoplastic composite tape lay-up process[J].Journal of Thermoplastic Composite Materials,2013:0892705713486135.

(編輯：薛永利)

Dynamic finite element simulation and experimental study on heat transfer in prepreg placement process

YANG Tao1，2，SHEN Yan-jiao1，2，YANG Su-jun2，LI Zhi-meng2，NIU Xue-juan2

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

An online temperature measurement system based on LabVIEW was established,aiming at measuring the temperature peak at the nip-point and the temperature distribution in the prepreg placement process.In the experiment,5 layers of prepreg were laid-up and the stable temperature of hot air was 200℃.The experimental results show that along with the placement process,the temperature curves of every layer have several peaks decreasing gradually and the first peak was the nip-point temperature.The nip-point temperatures of each layer increased gradually,which were 80.1℃,91.4℃,101.3℃,113℃ and 108.3℃ respectively.In addition,a finite element model of temperature field was established and a dynamic finite element simulation for prepreg placement process was done by using the birth-death element strategy and the cyclic loading strategy in ANSYS.The nip-point temperatures in the finite element simulation results were 71.8℃,96.2℃,104.3℃,107.9℃ and 105.3℃ respectively.The error of the nip-point temperature between finite element simulation results and experimental results can be controlled within 10%,and the higher the nip-point temperature get,the more accurate the result become.

prepreg placement；temperature distribution；dynamic finite element simulation；experiment

2014-07-28；

2014-09-25。

國家自然科學(xué)基金(11372220)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃重點項目(11JCZDJC23000)。

楊濤(1970—)，男，教授，研究方向為復(fù)合材料成型技術(shù)與裝備。E-mail：yangtao@tjpu.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)03-0410-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.022