U型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件熱壓罐固化變形及補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用研究

（航空工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，景德鎮(zhèn) 333002）

復(fù)合材料以其比強(qiáng)/剛度高、耐腐蝕、耐疲勞和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)迅速在直升機(jī)結(jié)構(gòu)上得到大量應(yīng)用，已由次承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)外先進(jìn)直升機(jī)上復(fù)合材料的用量已經(jīng)達(dá)到機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的80%～90%，其相對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)的重量?jī)?yōu)勢(shì)也表現(xiàn)突出，與金屬結(jié)構(gòu)相比減重效益達(dá)到20%～25%，直接提高了直升機(jī)的裝載能力、航程和舒適性[1-4]。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過(guò)程中，受到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程的影響，成型后的制件均存在不同程度的固化變形的缺陷，直接影響其在機(jī)身結(jié)構(gòu)上的裝配效果和使用壽命。零件固化變形嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致制造的反復(fù)，造成成本的增加和制造周期的延長(zhǎng)。固化變形等缺陷的存在，直接影響了大型整體結(jié)構(gòu)在直升機(jī)機(jī)身上的應(yīng)用進(jìn)程。因此，要實(shí)現(xiàn)大型整體結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用，需要開(kāi)展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確制造技術(shù)研究，其中研究影響大型整體結(jié)構(gòu)變形的工藝要素，探索復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的變形控制技術(shù)，是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)施的技術(shù)關(guān)鍵。工藝仿真和虛擬制造技術(shù)可以利用仿真的手段預(yù)測(cè)復(fù)合材料零件固化中產(chǎn)生的缺陷，從而優(yōu)化制造工藝，避免或減少制造缺陷。工藝仿真技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于改進(jìn)傳統(tǒng)的主要依賴經(jīng)驗(yàn)的工藝設(shè)計(jì)方法、減少試驗(yàn)次數(shù)、加快工藝研制周期、降低成本意義重大[5-15]。

熱壓罐固化變形補(bǔ)償技術(shù)方案

以復(fù)合材料典型U型結(jié)構(gòu)對(duì)象開(kāi)展熱壓罐溫度場(chǎng)仿真及固化變形仿真研究分析。具體流程如圖1所示。

1 熱壓罐內(nèi)溫度場(chǎng)分析

模擬熱壓罐內(nèi)擺放工裝工件情況下的內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布，不考慮工裝工件傳熱及工件固化,該階段側(cè)重考慮工裝工件對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的流阻，以便快速獲取工裝工件最佳擺放位置，并對(duì)工裝支撐板等流道設(shè)計(jì)合理性提供評(píng)估。CFD-ACE+利用熱力耦合方法計(jì)算工裝模具在罐內(nèi)的表面換熱、內(nèi)部傳熱和熱變形情況。通過(guò)工裝模具內(nèi)部的溫度分布和變形情況，分析工件變形和殘余應(yīng)力水平。

2 工件固化變形模擬分析

將工件各節(jié)點(diǎn)的溫度和材料物態(tài)信息作為輸入條件提交給PAMDISTORTION，定義工件的約束信息，由PAM-DISTORTION軟件對(duì)工件進(jìn)行回彈變形分析，可得到工件最終的殘余應(yīng)力基于有限體積方法求解，結(jié)合能量方程及固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行樹(shù)脂的熱固化學(xué)反應(yīng)計(jì)算，并考慮固化放出熱量對(duì)構(gòu)件周?chē)鷾囟葓?chǎng)的干擾作用。

3 工裝型面補(bǔ)償技術(shù)

以典型復(fù)合材料零件固化參數(shù)為前提，模擬工裝擺放條件下，分析熱壓罐溫度場(chǎng)、工裝的熱分布以及熱變形對(duì)工件變形的影響。需要以工裝材料屬性參數(shù)及工件材料的化學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，分析得到固化周期內(nèi)工件不同位置處的固化度變化、溫度變化以及固化后的變形情況[16]。基于有限元方法求解應(yīng)力應(yīng)變方程，得到構(gòu)件的回彈變形量，考慮放熱和溫度場(chǎng)對(duì)構(gòu)件變形的影響。根據(jù)固化仿真結(jié)果，測(cè)量零件固化后的外形與理論外形的差異，并與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證變形仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。提出優(yōu)化變形的工藝改進(jìn)建議，并在修正仿真模型的基礎(chǔ)上，完成第二輪仿真優(yōu)化。這主要是建立在根據(jù)仿真結(jié)果修正工裝模型外形的基礎(chǔ)上，校正邊界條件，再次進(jìn)行固化變形的模擬仿真，以達(dá)到減小或消除變形的目的。

研究過(guò)程與結(jié)果討論

1 復(fù)合材料零件熱壓罐固化溫度場(chǎng)分析

以框架式成型工裝結(jié)構(gòu)和典型的U型碳纖維蒙皮零件為研究對(duì)象，工裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，研究熱壓罐成型過(guò)程中復(fù)合材料零件、工裝的傳熱過(guò)程。熱壓成型過(guò)程中，熱壓罐對(duì)零件傳熱的影響可等效為罐內(nèi)環(huán)境溫度的變化對(duì)復(fù)合材料零件傳熱的影響，在結(jié)構(gòu)上忽略真空袋、吸膠材料和透氣氈等輔助材料對(duì)復(fù)合材料零件的傳熱影響[17-22]。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)典型件U型件進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，模擬出在不同時(shí)間段工裝和工件表面的溫度分布情況，并在相同時(shí)間下，進(jìn)行工裝表面和工件表面的溫度對(duì)比。

邊界條件為：罐的進(jìn)口邊界為入口邊界，速度為4m/s，采用理想氣體，按圖3中固化曲線輸入，粘性隨溫度變化；罐子的出口為壓力出口邊界；罐子的底部和工裝工件表面的邊界為wall壁面邊界，與制件實(shí)際固化時(shí)一致，加溫固化曲線為入口處的加溫曲線。將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到后處理模塊CFD-View中進(jìn)行結(jié)果提取，獲取熱壓罐內(nèi)部的工裝和工件周?chē)牧骶€情況，得到工裝截面速度矢量的分布，如圖4所示。在升溫過(guò)程中的不同時(shí)刻，工裝、工件表面的溫度分布云如圖5、6所示。

圖1 熱壓罐固化仿真流程Fig.1 Simulation of autoclave curing process

圖2 U型蒙皮工裝結(jié)構(gòu)Fig.2 Tool for type-U skin

由熱壓罐溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算結(jié)果可以得出：升溫過(guò)程中，罐頭的升溫速率較快、溫度較高，罐尾的溫度較低，工裝表面與工件表面的溫度趨于一致，整個(gè)升溫過(guò)程中最高與最低的溫度差別為1.1℃；降溫過(guò)程中，罐頭的降溫速率較快，溫度低于罐尾，工裝表面與工件表面的溫度趨于一致，整個(gè)降溫過(guò)程中最高與最低的溫度差別為1.3℃。

2 固化變形仿真

2.1 變形量計(jì)算前處理

通過(guò)ESI的前處理軟件模塊Visual Mesh將工件的數(shù)模進(jìn)行相應(yīng)的處理，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 模型處理

對(duì)工件模型進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，工件厚度方向網(wǎng)格分為9層，每一層代表一層單層板,具體劃分結(jié)果如圖7所示。

2.3 材料參數(shù)

計(jì)算變形需要的材料參數(shù)包括：3個(gè)方向、2種狀態(tài)（橡膠態(tài)、玻璃態(tài)）的楊氏模量、剪切模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、化學(xué)收縮系數(shù)等。將零件各部分的鋪層信息進(jìn)行定義，并將材料相應(yīng)參數(shù)輸入軟件。U型件鋪層信息輸入界面如圖8所示。

圖3 固化參數(shù)Fig.3 Curing parameter

圖4 工裝截面速度矢量Fig.4 Velocity vector of tooling section

圖5 某時(shí)刻工裝溫度分布Fig.5 Temperature distribution of tool at sometime

圖6 某時(shí)刻工件溫度分布Fig.6 Temperature distribution of part at sometime

2.4 邊界條件

固化分析需輸入溫度邊界條件（圖3），對(duì)工件所有表面進(jìn)行溫度加載，根據(jù)固化過(guò)程中工件表面的溫度分布情況調(diào)整溫度加載。U型件在固化過(guò)程中各表面位置處的溫度相差不大，因此直接對(duì)內(nèi)外表面按照固化曲線進(jìn)行溫度加載，并以此作為工件溫度的輸入條件開(kāi)展分析。

3 仿真結(jié)果分析

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化變形原因主要有3類(lèi)：熱膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致零件變形、化學(xué)收縮導(dǎo)致變形、模具和零件相互作用導(dǎo)致零件最終變形。減小變形的主要方法：一是優(yōu)化固化工藝參數(shù)（例如升降溫速率、保溫時(shí)間等）；二是通過(guò)調(diào)整模具型面補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)改善復(fù)合材料零件的變形[6，12-13]。分析得到不同時(shí)間段的溫度結(jié)果云圖，如圖9所示。分析結(jié)果表明：升溫初始階段，由內(nèi)外表面進(jìn)行加溫，初始時(shí)刻溫度由表面?zhèn)鬟f至中間，內(nèi)外表面溫度比中間高（2200s）；隨著溫度的升高，固化度增大，固化反應(yīng)生成熱導(dǎo)致中間的溫度升高，中間溫度比內(nèi)外表面高（15500s）。

圖7 工件模型網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.7 Meshing of the part model

圖8 鋪層信息Fig.8 Ply information

固化分析結(jié)果得到不同時(shí)間段的固化度結(jié)果云圖，如圖10所示。分析結(jié)果表明：升溫初始階段（2200s）時(shí)，內(nèi)外表面溫度比中間高，故而內(nèi)外表面固化度比中間高；之后由于固化反應(yīng)放熱導(dǎo)致中間溫度比內(nèi)外表面高，故而中間固化度比內(nèi)外表面高。

4 固化參數(shù)優(yōu)化

圖9 不同時(shí)間段零件表面及內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布云圖Fig.9 Cloud chart of the part temperature distribution

圖10 不同時(shí)間段零件表面及內(nèi)部的固化度分布云圖Fig.10 Cloud chart of the part curing degree

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)形式，基于溫度場(chǎng)分析結(jié)果，U型件在固化過(guò)程中各表面位置處的溫度相差不大，可根據(jù)零件結(jié)構(gòu)形式對(duì)固化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前零件整個(gè)固化過(guò)程的升溫速率為2.3～2.5℃/min，降溫速率為3℃/min。主要是根據(jù)零件玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg溫度）來(lái)調(diào)節(jié)零件升降溫速率，升溫速率在Tg前調(diào)整為0.5～1.5℃/min,在Tg至保溫階段前為2.0～2.5℃/min，降溫速率調(diào)整為2.3～2.7℃/min。在零件固化過(guò)程中讓樹(shù)脂充分流動(dòng)，可提高零件表面質(zhì)量。

本文U型件為環(huán)氧體系預(yù)浸料，優(yōu)化前根據(jù)零件數(shù)模制造成型工裝，由于熱膨脹系數(shù)不一致，整個(gè)固化過(guò)程的升溫速率為2.3～2.5℃/min，降溫速率為3℃/min，固化后零件收口4～5mm。調(diào)整升溫速率后零件收口縮小，收口2～3mm,貼模檢測(cè)仍有間隙。

5 型面補(bǔ)償技術(shù)結(jié)果分析

為驗(yàn)證模具型面補(bǔ)償方法對(duì)于改進(jìn)零件變形的作用，準(zhǔn)確地指導(dǎo)工裝模型的修正量，由于脫模后，會(huì)往內(nèi)側(cè)收縮，則修模方法為往相反方向偏移同樣的距離。根據(jù)工件的初始幾何形狀（Intial Mesh）和工件變形后的形狀（Deformed Mesh），應(yīng)用ESI仿真平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)的模面補(bǔ)償工具Solid Distortion Compensation，計(jì)算得到補(bǔ)償后的工件形狀（Compensated Mesh）?；谘a(bǔ)償后的網(wǎng)格，對(duì)工件進(jìn)行新一輪的工藝變形分析。采用工裝型面補(bǔ)償技術(shù)，得到補(bǔ)償后的型面，如圖11所示。

基于U型零件溫度場(chǎng)分析結(jié)果，采用型面補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)合優(yōu)化后的升溫速率進(jìn)行分析和改善，陰模成型零件收口，結(jié)合材料參數(shù)和溫度邊界條件的加載，利用型面補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行仿真分析。本文U型工裝將根據(jù)零件數(shù)模修正，修正后的工裝型面如圖10所示，用修正后的工裝進(jìn)行固化。結(jié)果顯示，變形后的外形與理論幾何外形的差距為1.37mm，仿真結(jié)果與實(shí)際工程驗(yàn)證的結(jié)果一致，在零件施加50N壓力的情況下貼模，滿足零件制造要求。

圖11 型面補(bǔ)償Fig.11 Profile compensation

結(jié)論

（1）U型件變形仿真溫度場(chǎng)分析結(jié)果表明，工裝表面與工件表面的溫度趨于一致，整個(gè)降溫過(guò)程中最高與最低的溫度差別為1.3℃?；跍囟葓?chǎng)分析，利用型面補(bǔ)償技術(shù)固化后的U型件產(chǎn)生向內(nèi)的收口變形，變形量為1.37mm左右，仿真結(jié)果與實(shí)際工程驗(yàn)證的結(jié)果一致，有工程參考應(yīng)用價(jià)值。

（2）通過(guò)分析復(fù)合材料成型過(guò)程中固化變形量，采用型面補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)復(fù)合材料精確制造具有指導(dǎo)性意義。

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