大尺寸大厚度復(fù)合材料梁外形精確控制技術(shù)

王 菲，楊 博，陳永清，陳 靜

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

隨著復(fù)合材料在飛機(jī)主承力構(gòu)件上的應(yīng)用逐漸加深，復(fù)合材料制件的尺寸越來(lái)越趨于大型化、整體化[1]，大尺寸、大厚度的零件越來(lái)越多，零件幾何尺寸的增大帶來(lái)了一系列新的問(wèn)題，如熱膨脹、固化變形、制件厚度等因素對(duì)制件外形的影響變得不容忽視。梁類零件做為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的骨架零件，裝配工序?qū)α侯惲慵庑纬叽缬休^高的要求，大型復(fù)合材料制件的成型精度成為其制造的關(guān)鍵技術(shù)。

目前復(fù)合材料制件成型精度的研究工作主要集中在對(duì)固化變形的預(yù)測(cè)和控制。賈麗杰[2]，唐占文等[3]提出了針對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)固化變形多層次預(yù)報(bào)技術(shù)。Sarrazin[4]、Andrew[5]、張紀(jì)奎[6]等研究了固化變形的影響因素。Jung[7]依據(jù)經(jīng)典層合板理論和有限元分析來(lái)預(yù)測(cè)回彈變形。黨嘉立[8]對(duì)復(fù)合材料角形材結(jié)構(gòu)的固化變形進(jìn)行了研究。陳曉靜[9]、李桂東等[10]提出了基于有限元方法的復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型變形預(yù)測(cè)方法和基于構(gòu)件型面節(jié)點(diǎn)變形的工裝型面補(bǔ)償算法，其缺點(diǎn)是模型復(fù)雜、輸入?yún)⒘慷?，并不方便直接指?dǎo)工程設(shè)計(jì)與制造。晏冬秀等[11]在大量工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出了模具熱膨脹補(bǔ)償和回彈角補(bǔ)償?shù)裙ぱb設(shè)計(jì)原則，GFG公司采用經(jīng)驗(yàn)的方法在復(fù)合材料工形梁模具的緣條型面上加入修正值(約1°)以抵消構(gòu)件回彈[12]，韓培培等[13]依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)取1°回彈補(bǔ)償角以保證U形梁的尺寸精度，均依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很難給出準(zhǔn)確的回彈值。

本文以大尺寸大厚度復(fù)合材料U型梁為研究對(duì)象，從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，通過(guò)典型試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值分析，系統(tǒng)研究影響大尺寸大厚度復(fù)合材料U型梁外形精度的因素，通過(guò)對(duì)主要影響因素的精確測(cè)算和合理控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸大厚度復(fù)合材料梁外形的精確控制。

復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)介紹

某大尺寸復(fù)合材料梁截面為U形，長(zhǎng)約7.8m，腹板高度約720mm，左、右緣條寬度120mm，厚度變化跨度大，從5.68mm到17.12mm，變厚臺(tái)階多達(dá)76處，變厚坡度大。使用的材料為高溫環(huán)氧增韌單向帶預(yù)浸料CCF300/BA9916-II和織物預(yù)浸料CF3031/BA9916-II兩種類型，其鋪層比例如表1所示。

表1 復(fù)合材料梁鋪層比例

復(fù)合材料梁外形的影響因素

影響復(fù)合材料梁型面的因素有模具的型面偏差、制件的厚度偏差、制件的熱膨脹偏差和制件的回彈變形等。復(fù)合材料梁制件的型面偏差計(jì)算公式為：

式中，Δ外為制件的外形偏差，Δ模具為模具的型面偏差，Δ熱膨脹為制件的熱膨脹偏差，Δ回為制件的回彈變形偏差，Δ厚度為制件的厚度偏差。

復(fù)合材料的成型模具通常為剛性模具，采用數(shù)控加工，誤差較小，型面偏差一般可控制在±0.15mm的范圍內(nèi)，因此，對(duì)制件型面的影響較小。

對(duì)大尺寸大厚度的梁類零件來(lái)說(shuō)，制件的厚度偏差、熱膨脹偏差、回彈變形偏差對(duì)型面公差的影響較大，需要重點(diǎn)加以控制。

式（1）可簡(jiǎn)化為：

復(fù)合材料梁外形的精確控制

1 熱膨脹控制

復(fù)合材料固化成型要經(jīng)歷一個(gè)升溫-降溫的溫度歷程，在此過(guò)程中如果復(fù)合材料制件與成型模具的熱膨脹量不一致時(shí)，最終成型的制件外形尺寸就會(huì)有偏差，零件幾何尺寸越大，這種熱膨脹不一致引起的制件外形偏差越大，必須要加以控制。

1.1 線性熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)熱膨脹計(jì)算公式，熱膨脹量ΔL為：

式中，α為材料線性熱膨脹系數(shù)，L為制件尺寸，ΔT為固化溫度和室溫的差值。

由式（3）可知，不同材料的熱膨脹量主要由其線性熱膨脹系數(shù)決定。復(fù)合材料是一種可設(shè)計(jì)、多向異性的特殊材料，不同的纖維類型、鋪層角度，其線性熱膨脹系數(shù)也有所不同。復(fù)合材料制件的線性熱膨脹系數(shù)受材料、厚度、鋪層角度等因素綜合影響。

本文通過(guò)試驗(yàn)方法來(lái)對(duì)典型鋪層、典型厚度的線性熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，選擇了6.34mm、8.66mm、10.6mm 3種典型厚度，選取梁典型鋪層方式，制作層壓板，測(cè)試了在10.6mm層壓板0°方向和90°方向的線性熱膨脹系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。分析圖1（a）和圖1（b）：

圖1 0°和90°方向Fig.1 Linear thermal expansion coefficients of 0° and 90°

（1）0°方向和90°方向的線性熱膨脹系數(shù)有著顯著的差異，在10.6mm厚度層最大相差8.98×10-6/℃，分析其鋪層比例，0°鋪層占比最大，而碳纖維的線性熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于環(huán)氧樹脂基體，所以0°方向的線性熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于90°方向。因此，在熱膨脹補(bǔ)償時(shí)0°方向和90°方向根據(jù)線性熱膨脹系數(shù)分別計(jì)算補(bǔ)償量；

（2）不同厚度層板的線性熱膨脹系數(shù)不同，10.6mm厚度層與6.34mm厚度層最大相差3.41×10-6/℃，分析不同厚度層板，其鋪層比例有所差異，導(dǎo)致線性熱膨脹系數(shù)的不同。因此，厚度變化較大的制件需要考慮不同厚度的綜合影響。

1.2 熱膨脹精確補(bǔ)償

復(fù)合材料的熱膨脹對(duì)制件外形的影響可以通過(guò)合理的工藝補(bǔ)償來(lái)予以消除。

根據(jù)熱膨脹計(jì)算公式，可推導(dǎo)出一個(gè)熱膨脹補(bǔ)償系數(shù)：

式中，μ為補(bǔ)償系數(shù)，αM為模具的熱膨脹系數(shù)，αp為復(fù)合材料制件的熱膨脹系數(shù)，ΔT為固化溫度和室溫的差值[13]。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出熱膨脹偏差的精確工藝補(bǔ)償方法：沿鋪層的0°和90°兩個(gè)方向?qū)a(chǎn)品數(shù)模分別按相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行縮放處理，縮放中心點(diǎn)選取產(chǎn)品的質(zhì)量中心，根據(jù)縮放后的數(shù)模研制產(chǎn)品，即可消除熱膨脹偏差對(duì)制件外形的影響。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述工藝補(bǔ)償方法研制復(fù)合材料梁全尺寸件，測(cè)量了制件長(zhǎng)度（即鋪層的0°方向）和寬度（即鋪層的90°方向）方向的實(shí)際尺寸，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。制件長(zhǎng)度方向尺寸偏差0.48mm，寬度方向尺寸偏差-0.22～0.20mm，尺寸偏差較小。試驗(yàn)結(jié)果表明，該補(bǔ)償方法可有效解決大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件的熱膨脹問(wèn)題，使得大型制件外形的精確控制成為可能。

2 回彈變形控制

復(fù)合材料固化過(guò)程的熱效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致層板內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，在固化后應(yīng)力釋放引起零件變形，梁類結(jié)構(gòu)的緣條回彈變形尤其明顯，影響外形精度和裝配連接。對(duì)于大厚度的復(fù)合材料梁類構(gòu)件，由于其自身剛度較大，回彈變形難以矯正，對(duì)外形的影響極大。

復(fù)合材料的回彈變形量用回彈角來(lái)表征，回彈角的影響因素有材料參數(shù)、鋪層方式、制件厚度等，一般可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和模擬計(jì)算得到[13]。

2.1 回彈角試驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)U型梁結(jié)構(gòu)，選取其簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行L型層板回彈角測(cè)試試驗(yàn)（圖2），試驗(yàn)件尺寸為200mm×80mm×180mm。選擇第2種鋪層方式，制作了6.34mm、8.66mm、10.6mm 這3種不同厚度的對(duì)比試驗(yàn)件，用三坐標(biāo)測(cè)量了試驗(yàn)件的回彈角，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。選擇6.34mm厚度，制作了3種不同鋪層方式的對(duì)比試驗(yàn)件，測(cè)量了試驗(yàn)件的回彈角，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖2 回彈角測(cè)試中L型層板試驗(yàn)件Fig.2 L-shaped laminate of spring-back angle test

表2 復(fù)合材料梁尺寸測(cè)量數(shù)據(jù) mm

圖3 典型鋪層不同厚度的回彈角比較Fig.3 Comparisons of spring-back angle of different kinds of thickness with typical stacking sequence

圖4 典型厚度不同鋪層方式的回彈角比較Fig.4 Comparisons of spring-back angle of different stacking sequences with typical thickness

分析圖3和圖4可知：

（1）相同鋪層方式、不同厚度的試驗(yàn)件其回彈角不同，隨著試驗(yàn)件厚度的增加，回彈角逐漸變小，最大相差0.133°；

（2）相同厚度、不同鋪層方式的試驗(yàn)件其回彈角也不同，最大相差0.1°。

2.2 回彈角修正

采用數(shù)值模擬方法可計(jì)算復(fù)合材料梁的回彈角，對(duì)大尺寸大厚度復(fù)合材料梁來(lái)說(shuō)，不同的厚度區(qū)域回彈角不同，鋪層方式的不同也會(huì)引起回彈角的差異，單純依靠試驗(yàn)測(cè)試或模擬計(jì)算都難以得到準(zhǔn)確的回彈角。將試驗(yàn)測(cè)試和模擬計(jì)算相結(jié)合，利用試驗(yàn)測(cè)試得出典型鋪層、典型厚度的回彈角，對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，可得到更精確的回彈角[14]。圖5給出了復(fù)合材料梁典型厚度區(qū)（6.34～17.12mm）的回彈角修正結(jié)果。按照回彈角修正值對(duì)梁不同厚度區(qū)的緣條型面分別進(jìn)行工藝補(bǔ)償，即可抵消回彈變形對(duì)梁外形尺寸的影響。

圖5 某復(fù)合材料梁典型厚度區(qū)回彈角修正結(jié)果Fig.5 Revising values of spring-back angle on typical thickness areas of composites spar

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述回彈補(bǔ)償方法研制復(fù)合材料梁全尺寸件，測(cè)量了制件左、右側(cè)緣條的回彈角，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6所示，回彈角實(shí)測(cè)值與修正結(jié)果一致性較好，經(jīng)工藝控制，回彈角可控制在±0.1°的范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理的工藝補(bǔ)償，回彈變形對(duì)復(fù)合材料梁外形的影響可精準(zhǔn)控制。

3 厚度控制

3.1 預(yù)浸料厚度控制

目前國(guó)內(nèi)外高性能樹脂基復(fù)合材料以熱熔法預(yù)浸料為主，其優(yōu)點(diǎn)是“零吸膠”，因此，預(yù)浸料的厚度直接決定了成型后制件的厚度，而影響預(yù)浸料厚度的主要因素是纖維面密度和樹脂含量[10]。因此，嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)浸料的纖維面密度偏差和樹脂含量偏差，即可有效控制制件的厚度偏差。

3.2 預(yù)浸料優(yōu)化使用

在工業(yè)化生產(chǎn)中，由于碳纖維和預(yù)浸料生產(chǎn)設(shè)備的精度誤差，生產(chǎn)出來(lái)的預(yù)浸料樹脂含量和纖維面密度在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，導(dǎo)致預(yù)浸料的厚度也有所波動(dòng)。利用預(yù)浸料厚度的波動(dòng)，將不同厚度的預(yù)浸料合理搭配，可精準(zhǔn)控制制件的最終厚度。

工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)可對(duì)預(yù)浸料抽樣進(jìn)行厚度測(cè)試，每卷預(yù)浸料（以100m2計(jì)）首、尾各截取0.5m2壓制層壓板，固化后計(jì)算平均單層厚度。因單卷預(yù)浸料的厚度波動(dòng)范圍有限，此厚度可近似準(zhǔn)確地表征該卷預(yù)浸料的厚度實(shí)際值。對(duì)厚、薄不同的預(yù)浸料進(jìn)行合理組合、優(yōu)化使用，制件的厚度偏差可控制在±1.5%以內(nèi)，有利于制件的外形精確控制。

4 外形精確控制結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述精確控制外形尺寸的方法研制復(fù)合材料梁全尺寸件，使用激光跟蹤儀測(cè)量了梁左、右側(cè)緣條的外形面，制件的型面偏差可控制在-0.4～0.15mm，滿足設(shè)計(jì)、裝配對(duì)產(chǎn)品外形公差的要求。這說(shuō)明合理的控制熱膨脹偏差、回彈變形偏差和厚度偏差3個(gè)因素，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸大厚度復(fù)合材料梁外形的精確控制（圖7）。

圖6 復(fù)合材料梁左、右緣條回彈角測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurements of spring-back on left flange and right flange of composites spar

圖7 復(fù)合材料梁緣條型面偏差Fig.7 Deviation of flange shape of composites spar

結(jié)論

大尺寸大厚度復(fù)合材料梁的外形尺寸受制件的熱膨脹偏差、回彈變形偏差、厚度偏差3個(gè)因素綜合影響。

（1）熱膨脹偏差受制件的厚度、鋪層角度影響顯著，沿鋪層0°方向和90°方向?qū)χ萍謩e按相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行縮放可消除熱膨脹的影響；

（2）回彈角的大小與制件的厚度、鋪層方式密切相關(guān)，通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試修正，可得到精確的回彈角；

（3）在生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格控制預(yù)浸料的厚度，優(yōu)化預(yù)浸料使用方式，可減小厚度波動(dòng)，精確控制制件厚度。

通過(guò)采取合理的工藝措施對(duì)上述3個(gè)主要影響因素加以精確控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大尺寸大厚度復(fù)合材料梁外形的精確控制，相關(guān)技術(shù)適合工程化應(yīng)用。

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