空間曲面類復(fù)合材料構(gòu)件固化變形修正技術(shù)研究

劉寶明，項(xiàng) 松，薛繼佳，曲長征

（1.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136）

空間曲面類復(fù)合材料構(gòu)件固化變形修正技術(shù)研究

劉寶明1，項(xiàng) 松2，薛繼佳2，曲長征2

（1.沈陽航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136）

針對(duì)空間曲面類復(fù)材構(gòu)件固化變形問題，提出采用在標(biāo)準(zhǔn)工裝上預(yù)鋪復(fù)材型面的方式獲取變形規(guī)律，預(yù)測(cè)構(gòu)件的固化變形，通過反向修正預(yù)先補(bǔ)償變形量生成工藝數(shù)模，用于制作模具型面。詳細(xì)介紹了修正計(jì)算方法和步驟，并通過對(duì)機(jī)翼曲面進(jìn)行實(shí)際修正，獲得了理想的成型精度，證明了該方法可以有效的降低變形，提高制件精度。

復(fù)合材料；標(biāo)準(zhǔn)工裝；變形修正；工藝數(shù)模

0　引言

熱壓罐成型是目前航空用先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型的主要方法之一，在成型過程中產(chǎn)生的固化變形是復(fù)合材料構(gòu)件成本過高和質(zhì)量不穩(wěn)定的主要原因。復(fù)合材料固化變形涉及碳纖維性能、樹脂基體性能、模具結(jié)構(gòu)、模具材料性能、固化溫度場(chǎng)分布情況、固化制度、固化過程中化學(xué)反應(yīng)、零件結(jié)構(gòu)等多種因素，各種影響因素相互作用，綜合作用的結(jié)果體現(xiàn)在復(fù)合材料零件的變形上，因此復(fù)合材料固化變形極其復(fù)雜，很難進(jìn)行控制。固化變形問題直接影響復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用，目前復(fù)合材料零件的外形精度控制已經(jīng)影響了我國航空工業(yè)在復(fù)合材料應(yīng)用方面的快速發(fā)展。

國內(nèi)外學(xué)者從理論與試驗(yàn)方面做了大量研究工作，分析了各因素對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型質(zhì)量的影響［1～6］，也取得了驕人的成績，但大部分研究者是對(duì)影響復(fù)合材料構(gòu)件成型的若干種因素進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究對(duì)象主要針對(duì)幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則的平板類、L型、U型、C型、T型構(gòu)件、V型薄壁件的變形研究，對(duì)具有空間曲面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的變形研究較少［7］，研究成果不具備普遍性，因此不能被很好的應(yīng)用和推廣。

針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文提出了一種新的固化變形規(guī)律獲取方式，研究了變形修正的算法和切實(shí)可行的修正手段，并以曲面類零件-機(jī)翼作為研究對(duì)象，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該方法的實(shí)用性。

1　變形規(guī)律的獲取

若要實(shí)現(xiàn)復(fù)材構(gòu)件的變形修正，首先必須獲取構(gòu)件的變形數(shù)據(jù)，根據(jù)各處的變形量進(jìn)行分析，研究減小變形的方法。現(xiàn)有的方法是在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)固化工藝進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和對(duì)模具型面進(jìn)行反復(fù)試湊或修正完成的，成本過高且生產(chǎn)效率低下；國內(nèi)研究學(xué)者利用有限元分析軟件［7，8］或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［9，10］，實(shí)現(xiàn)了固化變形的預(yù)測(cè)，但對(duì)于普通用戶來說，由于預(yù)測(cè)模型建立難度較大、模型中考慮的因素不夠全面及樣本數(shù)據(jù)收集困難等問題，限制了該方法的實(shí)用性。

本文采用在標(biāo)準(zhǔn)工裝上預(yù)鋪復(fù)材型面的方式獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)某一類零件的變形規(guī)律，用以指導(dǎo)該類復(fù)合材料構(gòu)件的變形修正。

1.1標(biāo)準(zhǔn)工裝設(shè)計(jì)

根據(jù)某一類復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套標(biāo)準(zhǔn)工裝。根據(jù)結(jié)構(gòu)及約束情況，將標(biāo)準(zhǔn)工裝分為不同的區(qū)域，在鋪制試驗(yàn)件時(shí)，根據(jù)零件特點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)工裝上的合適區(qū)域制作，鋪制方法和成型工藝應(yīng)與復(fù)合材料構(gòu)件完全相同，這樣試驗(yàn)件的固化變形規(guī)律才能與實(shí)際生產(chǎn)的復(fù)材構(gòu)件變形規(guī)律最為接近。對(duì)于同一類復(fù)材構(gòu)件的制作，只要采用與試驗(yàn)件完全相同的成型工藝，修正時(shí)即可使用該試驗(yàn)件數(shù)據(jù)，無需重新鋪制試驗(yàn)件。由于采用標(biāo)準(zhǔn)工裝獲取修正用試驗(yàn)件數(shù)據(jù)，避免了對(duì)產(chǎn)品成型模具的反復(fù)修正加工，大大降低了制造成本。

1.2變形參數(shù)確定

為實(shí)現(xiàn)數(shù)模修正的目標(biāo)，從試驗(yàn)件中提取數(shù)據(jù)、確定變形參數(shù)時(shí)應(yīng)從如下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1）根據(jù)變形參數(shù)能重構(gòu)試驗(yàn)件型面；

2）變形參數(shù)能描述試驗(yàn)件上任意一點(diǎn)在固化變形前后的空間位置及變形量；

本文根據(jù)曲面類零件的特點(diǎn)及固化變形情況，最終確定將試驗(yàn)件曲面按一定規(guī)則切分為若干截面，并在截面線上取長度、半徑、法矢和角度參數(shù)作為變形參數(shù)。

1）長度（L）：截面線上分段單元的長度；

2）半徑（R）：截面線上某一位置的曲率半徑；

3）法矢（T）：截面線上某一點(diǎn)的法矢方向；

4）角度（θ）：截面線上任意一點(diǎn)處的切線與基準(zhǔn)線的夾角。

1.3變形規(guī)律總結(jié)

由于試驗(yàn)件的鋪制與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)復(fù)合材料構(gòu)件的鋪制采用完全相同的工藝過程和環(huán)境，因此，試驗(yàn)件數(shù)據(jù)包含了影響固化成型的各種因素綜合作用的結(jié)果。通過對(duì)比分析試驗(yàn)件與標(biāo)準(zhǔn)工裝相應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)，可總結(jié)得到各參數(shù)的變化規(guī)律，表達(dá)如下：

式中，L'、R'、T'、θ'分別為試驗(yàn)件采樣點(diǎn)處的長度、曲率半徑、法矢量和角度值。L、R、T、θ為標(biāo)準(zhǔn)工裝采樣點(diǎn)處的長度、曲率半徑、法矢量和角度值。

2　固化變形預(yù)測(cè)與模具型面修正

目前，有關(guān)減小固化變形措施的研究主要集中在兩個(gè)方面，一是優(yōu)化固化工藝［11～13］，二是調(diào)整模具形狀以補(bǔ)償固化變形［14，15］。通過優(yōu)化固化工藝，可以在一定程度上減小固化變形，但效果并不十分理想，仍需結(jié)合模具型面的補(bǔ)償方法，才能最終達(dá)到提高復(fù)合材料構(gòu)件成型精度的目的。

本文在總結(jié)試驗(yàn)件變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種新的變形預(yù)測(cè)與模具型面修正算法，即根據(jù)影響變形的各參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行反變形計(jì)算，生成新的數(shù)模，以補(bǔ)償變形所造成的誤差。具體修正過程如下：

1）根據(jù)曲面形狀特點(diǎn)，按相互垂直的兩個(gè)方向分別做若干截面，將其劃分為網(wǎng)格面，其中曲率變化較大的方向作為修正主方向。沿主方向上需劃分較多的點(diǎn)數(shù)，以提高型面擬合精度。具體點(diǎn)數(shù)的多少采用兩種方式確定，一是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)型面特征自行輸入點(diǎn)數(shù)；二是根據(jù)允許的擬合誤差計(jì)算滿足精度要求的最少點(diǎn)數(shù)。

2）對(duì)網(wǎng)格頂點(diǎn)按修正主方向進(jìn)行修正計(jì)算，得到新的網(wǎng)格頂點(diǎn)。修正算法如式（2）所示 。

式中，V′為修正后的網(wǎng)格頂點(diǎn)，V為修正前網(wǎng)格頂點(diǎn)，k1～k4為各修正量的強(qiáng)度系數(shù)。當(dāng)系數(shù)取值為1時(shí)，是按照變形規(guī)律的修正量1：1進(jìn)行修正，當(dāng)不為1時(shí)，按修正系數(shù)乘修正量進(jìn)行修正?？筛鶕?jù)實(shí)際情況單獨(dú)調(diào)整或同時(shí)調(diào)整各項(xiàng)修正量的強(qiáng)度系數(shù)。

3）沿第二修正方向（與修正主方向垂直）修正計(jì)算，獲得準(zhǔn)確的邊界數(shù)據(jù)。

此方向由于曲率變化較小，因此重點(diǎn)考察尺寸變化量，保證獲得準(zhǔn)確的型面邊界尺寸。

4）根據(jù)修正計(jì)算后的頂點(diǎn)及邊界重新構(gòu)造曲面并進(jìn)行光順，生成新的模具型面，稱之為“工藝數(shù)模”。當(dāng)按工藝數(shù)模制作模具后，由于其中已經(jīng)預(yù)留了復(fù)材制件的固化變形，因此，當(dāng)零件脫模變形后，將獲得理想的形狀。

3　實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性，采用CATIA二次開發(fā)的方式，開發(fā)了復(fù)材修正模塊，用于修正得到工藝數(shù)模。鋪制了飛機(jī)機(jī)翼復(fù)材構(gòu)件，經(jīng)掃描逆向后得到鋪制產(chǎn)品的實(shí)際型面數(shù)模，在CATIA軟件中對(duì)比分析了零件數(shù)模與實(shí)際產(chǎn)品數(shù)模的形狀誤差，結(jié)果如圖1所示。

不考慮邊緣的紅色噪聲點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)形狀誤差從中心向邊緣逐漸變化，最大誤差值為5.47mm。

在接下來的實(shí)驗(yàn)中，選取標(biāo)準(zhǔn)工裝上的某區(qū)域鋪制試驗(yàn)件，并獲取試驗(yàn)件變形規(guī)律，按此變化規(guī)律和本文所述修正算法對(duì)產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行反向修正，修正后的數(shù)模與零件數(shù)模對(duì)比分析結(jié)果如圖2所示。

由結(jié)果可知，復(fù)材固化變形誤差最大值已經(jīng)降為0.338，得到了有效的控制，證明本文所述方法是行之有效的。

4　結(jié)論

1）根據(jù)某一類復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套標(biāo)準(zhǔn)工裝，并采用在標(biāo)準(zhǔn)工裝上鋪制試片的方法，獲取了復(fù)材構(gòu)件固化變形規(guī)律。

2）提出了一種新的變形預(yù)測(cè)與模具型面修正算法，即根據(jù)試驗(yàn)件變形規(guī)律，對(duì)數(shù)模進(jìn)行反變形計(jì)算，獲取用于制作模具的工藝數(shù)模，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性。

3）通過CATIA二次開發(fā)的方式，增加復(fù)材修正模塊，可實(shí)現(xiàn)復(fù)材變形修正得到工藝數(shù)模，可使用戶無需具備較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，即可完成復(fù)材工裝型面的設(shè)計(jì)，實(shí)用性較強(qiáng)。

圖1　未修正產(chǎn)品與零件對(duì)比

圖2　修正后產(chǎn)品與零件對(duì)比

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Study on deformation correcting technique of curved surface composite component

LIU Bao-ming1， XIANG Song2， XUE Ji-jia2， QU Chang-zheng2

TB332

A

1009-0134（2016）10-0074-03

2016-06-23

沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（SHSYS2015001）

劉寶明（1979 -），男，遼寧凌源人，工程師，碩士，研究方向?yàn)轱w機(jī)數(shù)字化制造和復(fù)合材料成型工藝。