復(fù)合材料熱壓罐熱流耦合數(shù)值模擬技術(shù)研究

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610041）

隨著復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，對復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)[1-2]，尤其是熱流耦合技術(shù)的要求越來越高。由于熱壓罐成型過程中涉及復(fù)雜的熱交換、熱傳導(dǎo)和熱化學(xué)反應(yīng)，以及熱壓罐內(nèi)工裝、復(fù)合材料構(gòu)件和罐體之間的流場、溫度場的耦合效應(yīng)，使得控制復(fù)合材料的固化過程[3]、保證產(chǎn)品質(zhì)量變得更加困難。

隨著計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展，各種專業(yè)軟件不斷涌現(xiàn)，使復(fù)合材料熱壓罐成型的流固耦合虛擬制造成為可能[4-5]。傳統(tǒng)方法主要對熱壓罐體的流場和單一工裝零件進(jìn)行有限元計算[6-7]，但對多套工裝的流場和溫度場進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與生產(chǎn)實際結(jié)合的報道很少見。本文采用有限元分析方法對復(fù)合材料熱壓罐流固耦合進(jìn)行數(shù)值模擬，研究多套工裝、零件在熱壓罐內(nèi)的流場均勻性，預(yù)測罐內(nèi)的流場分布；研究工裝零件在罐內(nèi)的溫度場分布，預(yù)測工裝的溫度場均勻性，優(yōu)化多套工裝零件在罐內(nèi)的合理布局，并將研究結(jié)果與生產(chǎn)實際相結(jié)合[8-9]。這不但可以大大提高工藝設(shè)計效率、減少研制費用，而且可以彌補生產(chǎn)過程難以預(yù)測流場和溫度場變化的不足[10]，提高產(chǎn)品成型質(zhì)量。

1 熱壓罐數(shù)值分析模型

1.1 熱壓罐幾何模型

熱壓罐是一種大型真空壓力容器，罐內(nèi)的加熱方式為電熱阻絲加熱，以空氣或惰性氣體為熱傳導(dǎo)載體，風(fēng)機作為氣體循環(huán)的動力來完成固化過程的循環(huán)加熱，壓力由調(diào)節(jié)閥控制儲氣罐加壓。熱壓罐是一個環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)，由內(nèi)、外層組成，為了簡化計算，通常只對熱壓罐的內(nèi)層進(jìn)行分析。本文所用的熱壓罐有效尺寸為13m×5.5m，圖1為熱壓罐的CAD模型。

圖1 熱壓罐CAD模型Fig.1 CAD molding of autoclave

1.2 熱壓罐體、工裝的CAE模型及分布

熱壓罐成型仿真涉及熱化學(xué)、固化動力學(xué)和流體力學(xué)等范疇，其中熱化學(xué)和固化動力學(xué)是對零部件級的模擬分析，而流體力學(xué)是對熱壓罐內(nèi)流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)過程進(jìn)行數(shù)值計算，分析罐內(nèi)的流場穩(wěn)定性和熱分布[11-12]。為了使流體計算過程趨于穩(wěn)定，本文只取罐內(nèi)壁為流體區(qū)域，工裝型面和框架作為支撐。通過網(wǎng)格劃分，建立應(yīng)用于熱壓罐流場和溫度場分析的CAE網(wǎng)格模型，即罐體和工裝的網(wǎng)格模型。本算例利用熱壓罐仿真軟件提供的網(wǎng)格前處理工具CFD-Viscart對CAD模型計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所生成的網(wǎng)格類型為笛卡爾自適應(yīng)網(wǎng)格。圖2為工裝在熱壓罐內(nèi)的分布，圖3為罐體某截面網(wǎng)格示意圖。

2 基本假設(shè)及參數(shù)設(shè)置

2.1 基本假設(shè)

由于熱壓罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對流換熱又分為罐內(nèi)和外壁，罐尾的風(fēng)機和電加熱阻絲不利于模型建立，為了簡化計算、提高效率，對本文涉及的分析案例做如下假設(shè)[13]：

（1）只將熱壓罐內(nèi)腔作為流體計算域；

（2）流體無內(nèi)熱源，不可壓縮，物性各向同性；

（3）氣體流動與傳熱充分；

（4）流體與固體界面間無擴散現(xiàn)象；

圖2 工裝在熱壓罐內(nèi)的分布Fig.2 Distribution of molds in autoclave

圖3 罐體某截面網(wǎng)格Fig.3 Grids sketch of certain cross section of autoclave

（5）固體與固體界面間無壓縮現(xiàn)象；

（6）風(fēng)機出風(fēng)口風(fēng)量均勻。

2.2 材料參數(shù)及熱壓罐工藝曲線

本文以復(fù)合材料蒙皮零件和鋼工裝為例，原材料選用碳纖維增強的雙馬來酰亞胺樹脂預(yù)浸料，單層厚度0.125mm，材料屬性參數(shù)見表1。

分別選取3個蒙皮零件，其中一個較大的蒙皮（約1.5m×2m），標(biāo)識為1號件，零件鋪層為20層，零件固化厚度2.5mm；另外兩個較小的蒙皮（約0.5m×1.5m），分別標(biāo)識為2號和3號件，零件鋪層均為24層，固化厚度3.0mm。以上零件在熱壓罐內(nèi)的加溫曲線如圖4所示，整個固化周期由3個升溫-恒溫平臺和1個降溫過程構(gòu)成，其中最大升降溫速率不超過2℃/min。

2.3 邊界條件

熱壓罐流場計算過程中，通過邊界條件設(shè)置及理論模型中相應(yīng)方程的求解，最終得到計算域中所需參數(shù)的數(shù)值分布情況[6]。根據(jù)熱壓罐的工藝設(shè)計本文算例中的邊界條件，其中熱壓罐流體介質(zhì)為空氣，熱壓罐的一端設(shè)置為速度入口，另一端設(shè)置為壓力出口，熱壓罐外壁為絕熱壁，熱壓罐內(nèi)壁、工裝和零件均為壁面邊界條件。

入口設(shè)置：流速U=2m/s，壓力P1=1.0×105Pa，溫度T=300K。

出口設(shè)置：壓力P2=1.0×105Pa。

本文的計算分為定常計算和非定常計算，定常計算的溫度為300K，非定常計算的溫度如表2所示。

表1 材料屬性

圖4 熱壓罐加溫曲線Fig.4 Curve of heat up of autoclave

3 應(yīng)用算例

3.1 熱壓罐內(nèi)流場討論

本算例只針對室溫下熱壓罐內(nèi)的流體域進(jìn)行求解，對具體零件工裝不求解。通過數(shù)值模擬，分析熱壓罐內(nèi)的流場和工裝零件周圍的流線均勻性，預(yù)測熱壓罐內(nèi)流場的熱分布。圖5為熱壓罐內(nèi)工裝周圍的流線分布示意圖。

由圖5可知，工裝周圍的流線從入口向出口方向均勻分布，表明工裝的位置和方向合理有助于罐內(nèi)熱空氣流動，并盡量滿足工裝低凹端向罐門、高凸端向罐尾，這樣更有利于熱空氣的對流傳熱，降低熱壓罐內(nèi)的溫度梯度，提高固化零件的質(zhì)量。

通過計算工裝對罐內(nèi)流場的影響，可預(yù)測工裝的熱分布均勻性，優(yōu)化工裝設(shè)計。圖6為工裝截面的流場分布，通過分析可發(fā)現(xiàn)，工裝的存在對周圍流動有一定的影響，對于尺寸較大的工裝可能使周圍流動發(fā)生局部擾動。由于本算例中，已對熱壓罐內(nèi)的流場進(jìn)行優(yōu)化，工裝在罐內(nèi)的方向與罐內(nèi)的氣流方向一致，雖然多套工裝對罐內(nèi)流場有一定的影響，但是總體來看，工裝附近的流場穩(wěn)定、熱分布較均勻，能夠滿足復(fù)合材料構(gòu)件固化過程的溫度均勻性要求。

表2 熱壓罐入口溫度設(shè)置

圖6 工裝截面的流場分布Fig.6 Flow distribution of tool section

3.2 熱壓罐內(nèi)溫度場討論

熱壓罐內(nèi)的溫度場分析，涉及流體區(qū)域（空氣）和固體區(qū)域（工裝和零件），而且復(fù)合材料還存在固化放熱現(xiàn)象，需要考慮放熱對工裝溫度場的影響[7]。因此，溫度場分析是一個流體-固體-熱化學(xué)耦合過程，是影響產(chǎn)品總體性能和質(zhì)量的重要因素[14-15]。本算例在熱壓罐流場計算基礎(chǔ)上，利用流場分析結(jié)果，滿足罐內(nèi)流場分布均勻的情況下，再對熱壓罐內(nèi)的工裝、零件進(jìn)行求解。該過程中罐體入口溫度見表2，工裝、零件和空氣的基本屬性參數(shù)見表1。

圖7為1800s時刻熱壓罐內(nèi)溫度場分布示意圖，可以看出罐體和工裝的溫度分布在382～384K之間，而且從入口至出口溫度為降低趨勢。罐內(nèi)的空氣沿罐外壁從罐門向罐尾流動，大工裝在前，中小型工裝在后，大工裝凹口大端為入風(fēng)口，以使3套工裝能充分與流體進(jìn)行熱傳導(dǎo)和熱交換，從而減小每套工裝間的溫差，使復(fù)合材料構(gòu)件獲得較為均勻的溫度分布。

圖8為9000s時刻的罐體內(nèi)整體及局部溫度分布示意圖，可以看出熱壓罐內(nèi)和工裝的溫度分布在295～475K之間。在9000s時刻，熱壓罐內(nèi)和工裝的表面溫度一直穩(wěn)定在473K，表明該時刻罐體內(nèi)的溫度場趨于一致。

圖7 1800s時刻熱壓罐內(nèi)溫度場分布Fig.7 Temperature distribution in autoclave at t=1800s

圖8 9000s時刻熱壓罐內(nèi)溫度場分布Fig.8 Temperature distribution in autoclave at t=9000s

圖9為23400s時刻的罐體內(nèi)整體及局部溫度分布示意圖?？梢姡?3400s時刻，罐內(nèi)的溫度分布仍在295～475K之間，與9000s時刻的溫度分布一致。同樣可以發(fā)現(xiàn)9000s以后的時刻，罐體、工裝的表面溫度一直穩(wěn)定在473K，表明自9000～23400s，罐體內(nèi)的環(huán)境溫度穩(wěn)定、溫度場分布均勻，能滿足復(fù)合材料構(gòu)件固化成型過程中對溫度均勻性的要求。

3.3 零件表面溫度變化對比

根據(jù)實際生產(chǎn)的經(jīng)驗，結(jié)合本文對熱壓罐內(nèi)流場和溫度場仿真分析結(jié)果，對以上復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)罐固化過程中，選取熱壓罐中間的零件，提取零件上的溫度點，分析零件表面溫度的溫差范圍，如圖10所示。

圖10為整個固化過程中零件表面的最大溫差隨時間的變化圖，可以看出最大溫差為12℃，出現(xiàn)在最初的加溫階段和后面的降溫階段，中間過程的溫差都在0～8℃范圍內(nèi)，基本上能滿足該類復(fù)合材料零件的固化要求。

4 結(jié)論

圖9 23400s時刻熱壓罐內(nèi)溫度場分布Fig.9 Sketch of temperature distribution in-autoclave at t=23400s

圖10 零件表面不同時刻的溫差Fig.10 Range of temperature at different time of part surface

（1）通過熱壓罐內(nèi)流場計算，分析了熱壓罐內(nèi)流場與工裝附近的流線分布均勻性。熱壓罐溫度場分析表明，固化時間自9000s以后，罐內(nèi)的流場穩(wěn)定、溫度場均勻，能滿足復(fù)合材料構(gòu)件固化成型過程中對溫度均勻性的要求。

（2）將復(fù)合材料熱壓罐熱流耦合數(shù)值模擬技術(shù)與工程實際結(jié)合，不但可以大大提高工藝設(shè)計效率，減少研制費用，還可以彌補工程實踐中難以預(yù)測的流場和溫度場變化過程，提高產(chǎn)品固化質(zhì)量。

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