復(fù)合材料熱壓罐成形模具型面補(bǔ)償設(shè)計方法研究

唐興齡，宿 昊，司朝潤

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081）

復(fù)合材料熱壓罐成形模具型面補(bǔ)償設(shè)計方法研究

唐興齡1，宿 昊1，司朝潤2

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081）

針對復(fù)合材料固化成形過程中的變形問題，本文提出一種通過對模具型面的溫度補(bǔ)償來達(dá)到對材料變形量補(bǔ)償?shù)姆椒?。該方法的設(shè)計思想是構(gòu)件要在成形后滿足設(shè)計形狀，首先其在高溫狀態(tài)下的理想形狀就應(yīng)該是構(gòu)件從低溫升至玻璃態(tài)溫度膨脹后的形狀；其次模具在固化周期內(nèi)的熱變形為彈性變形，即材料固化脫模后的模具型面恢復(fù)至原來形狀。模具型面的設(shè)計基礎(chǔ)是準(zhǔn)確預(yù)測模具型面在固化點溫度時的幾何形狀。補(bǔ)償后的數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用熱補(bǔ)償?shù)哪＞咝兔嬖O(shè)計方法設(shè)計的模具型面能夠有效補(bǔ)償復(fù)合材料制件成形過程中由于模具與復(fù)合材料之間熱、力學(xué)性能不一致以及固化過程中材料自身熱、力學(xué)性能變化而導(dǎo)致的制件固化變形問題。

復(fù)合材料；熱固性樹脂基；固化成形；模具型面補(bǔ)償

復(fù)合材料熱壓罐成形工藝能實現(xiàn)溫度、壓力和真空度等工藝參數(shù)時序化和實時在線控制，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、兵器、交通和新能源等高技術(shù)復(fù)材結(jié)構(gòu)件成形領(lǐng)域[1，2]。然而熱壓罐成形工藝也存在一定的問題。在成形過程中成形模具是在較高溫度和較高壓力下與復(fù)合材料構(gòu)件一起放在真空熱壓罐中固化成形的。一般情況下，金屬模具的線膨脹系數(shù)大于復(fù)合材料構(gòu)件，并且在樹脂基體固化之前的工藝過程中，由于受熱壓罐內(nèi)壓力作用構(gòu)件緊貼模具，離模具最近的纖維承受拉應(yīng)力，然而由于復(fù)合材料構(gòu)件此時的剪切模量很低，在厚度方向構(gòu)件的應(yīng)力傳遞能力很差，因此在厚度方向會產(chǎn)生應(yīng)力梯度[3]。隨著固化工藝進(jìn)程的推進(jìn)，樹脂完全固化，沿厚度方向分布不均勻的應(yīng)力殘留在構(gòu)件內(nèi)，而固化結(jié)束后殘余應(yīng)力得到釋放導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生變形。同時模具的導(dǎo)熱性能及其結(jié)構(gòu)形式還會影響與其直接接觸的復(fù)合材料構(gòu)件固化溫度場的分布，而固化溫度場的分布情況又會進(jìn)一步影響到最終構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力的大小及分布。

針對復(fù)合材料熱壓罐成形工藝中制件在成形過程中的變形問題，目前比較通用的解決方法是針對構(gòu)件的變形量對成形用模具型面進(jìn)行位移補(bǔ)償性修正。位移補(bǔ)償性修正方法一般是根據(jù)經(jīng)驗和在實驗的基礎(chǔ)上采用累試的方法對模具型面進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和補(bǔ)償性修正加工來抵消模具的變形。但這種方法費時費料，增加了復(fù)合材料構(gòu)件的成本。本文提出對模具型面進(jìn)行補(bǔ)償性設(shè)計。利用有限元理論和計算機(jī)數(shù)值模擬的方法，分離構(gòu)件自身的熱變形和由模具因素導(dǎo)致的變形，并將這兩部分變形量通過模具型面的修正進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)充固化工藝和模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的不足。最終得到滿足要求的構(gòu)件外形尺寸和精度。

1 模具型面的補(bǔ)償設(shè)計原理

在樹脂基復(fù)合材料的固化過程中，當(dāng)材料固化至玻璃態(tài)溫度時其物理和力學(xué)性能幾乎趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為材料在固化降溫階段的變形主要是由材料自身的熱變形以及材料與成形模具的熱物理性能不一致而導(dǎo)致的線彈性變形。此外由于在熱壓罐成形工藝中，熱壓罐內(nèi)的溫度梯度較小，溫度場分布比較均勻，且一般復(fù)合材料制件的成形溫度都在200℃以下，可以認(rèn)為模具和在固化降溫階段的熱收縮量是溫度的線性函數(shù)，主要與材料的熱物理性能相關(guān)。因此，構(gòu)件要在成形后滿足設(shè)計形狀要求，其在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度下的理想形狀就應(yīng)該是構(gòu)件從低溫升至玻璃化溫度點熱膨脹后的形狀。

此外在復(fù)合材料的固化初期，復(fù)合材料鋪層處于黏流性狀態(tài)緊貼于模具表面，其型面形狀與模具型面相同，當(dāng)達(dá)到固化點時，材料處于高度的粘彈性，此時由于材料的應(yīng)力松弛效應(yīng)和罐內(nèi)壓力作用，材料的型面形狀仍然與模具型面相同。設(shè)材料的初始型面形狀為P，模具設(shè)計型面為D；達(dá)到固化點溫度時材料的型面形狀為Ps，模具型面為Ds，則有 P=D；Ps=Ds。材料達(dá)到固化點后由于應(yīng)力松弛、收縮等原因在向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化的過程中會發(fā)生變形。假設(shè)固化過程中材料的固化點溫度與玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度相等，則理論上模具型面在玻璃態(tài)時形狀Dg和固化點時的形狀Ds相等。即固化降溫前有如圖1所示的模具型面形狀與材料形狀的關(guān)系。

圖1 固化降溫前模具型面與材料的形狀關(guān)系

由以上分析可以得出，復(fù)合材料制件在固化過程中制件與模具的幾何型面在固化點和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點建立起了緊密的聯(lián)系。如果能知道材料的設(shè)計型面在固化點時的理想形狀就間接地知道了模具型面在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點的形狀，再將模具從玻璃態(tài)降至室溫就可以得到模具在室溫下的形狀。

本文模具型面補(bǔ)償設(shè)計的思路是假設(shè)材料的固化點溫度和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度相同，則在理論上模具型面在固化點和玻璃態(tài)溫度轉(zhuǎn)換點的幾何形狀就應(yīng)相同。模具型面設(shè)計過程是以制件的設(shè)計模型固化升溫至固化點后的理想形狀作為模具型面在高溫下的初始形狀設(shè)計模具高溫型面，在熱壓罐固化降溫環(huán)境中將模具初始高溫模型降溫至室溫得到模具在常溫下的初始型面模型，再以此時的模具型面為復(fù)合材料構(gòu)件和模具固化初始時的型面形狀，分析構(gòu)件的固化升溫過程。將構(gòu)件在固化點時的幾何形狀與構(gòu)件的高溫理想形狀比較，最終確定模具型面的理想高溫形狀。該原理過程如圖2所示。

圖2 模具型面設(shè)計原理圖

采用復(fù)合材料構(gòu)件在高溫狀態(tài)下的理想型面作為模具型面設(shè)計的依據(jù)是為了補(bǔ)償構(gòu)件在固化降溫過程中的熱彈性變形和固化過程中因模具熱膨脹變形導(dǎo)致的構(gòu)件變形。同時這種設(shè)計方法還可以保證模具型面和制件型面在高溫狀態(tài)下保持一致，即材料在固化點溫度時滿足式（1）。其中Ps、Ds分別為制件和模具高溫固化點狀態(tài)下的幾何型面，ξ為設(shè)計允許的最大誤差。

由模具設(shè)計過程的原理圖可知，經(jīng)過迭代后材料的固化點形狀Ps和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度形狀Pg滿足 |Pg-Ps|≤|ξ|，也即是材料與模具在高溫狀態(tài)下滿足式（1）。

2 熱壓罐成形模具型面的補(bǔ)償設(shè)計

2.1 模具型面補(bǔ)償設(shè)計過程

本文熱壓罐成形模具型面補(bǔ)償設(shè)計的具體操作過程是：①采用有限元分析軟件ABAQUS將設(shè)計的復(fù)合材料構(gòu)件從室溫沿固化降溫的逆方向加載至玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，得到構(gòu)件型面在玻璃態(tài)下的理想幾何信息Pg；②以得到的構(gòu)件高溫理想型面為基準(zhǔn)，建立模具型面在高溫下的模型Dg；再將模具型面模型Dg沿固化降溫方向降至室溫，得到常溫下的模具型面模型D（0）；③分析材料在固化周期中的溫度場、固化度等變化和材料的熱、力學(xué)性能變化；④利用有限元分析軟件ABAQUS對材料固化升溫過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得到材料在固化點時的幾何形狀Ps。固化模擬過程中模具的初始型面就是步驟②中的D（0）；材料在固化初期緊貼模具，因此材料的形狀與模具型面幾何形狀相同；⑤比較步驟①、④中分別得到的材料玻璃態(tài)理想幾何形狀和材料固化點溫度時的幾何形狀，當(dāng)滿足式（2）時，步驟④中材料或模具的初始幾何型面就是需要設(shè)計的模具型面在升溫后的狀態(tài)。具體操作流程見圖3，式中i表示固化升溫階段的迭代次數(shù)。

圖3 模具型面熱補(bǔ)償設(shè)計流程

2.2 高溫狀態(tài)時模具型面形狀的確定

本文采用有限元分析軟件ABAQUS對設(shè)計的碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料AS4/3501-6單曲面層合板構(gòu)件進(jìn)行與固化降溫階段相反的加載，得到層合板在玻璃態(tài)下的型面理想幾何模型。再對該構(gòu)件在固化升溫階段的溫度場、固化度變化以及應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行分析，得到層合板在固化點的幾何模型。按照圖3所示的補(bǔ)償設(shè)計流程設(shè)計模具型面。模擬過程中熱壓罐內(nèi)溫度加載的過程如圖4所示。

圖4 材料固化溫度周期

有限元分析中鋼模具的熱、力學(xué)性能參數(shù)為：密度ρ=7800kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比υ=0.3，比熱C=434J/（kg·℃），導(dǎo)熱率k=60.5W/（m·℃），熱膨脹系數(shù)CTE=1.2×10-5。成形構(gòu)件結(jié)構(gòu)為單曲面層合板，其固化后的熱、力學(xué)性能參數(shù)采用文獻(xiàn)[6]中的參數(shù)值。采用有限元分析方法，將復(fù)合材料層合板的設(shè)計模型沿圖4材料固化溫度周期曲線的c-d方向升溫至玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，得到層合板在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度時的離散幾何模型。

2.3 模具型面補(bǔ)償設(shè)計

將復(fù)合材料層合板逆向升溫后得到的離散的幾何模型提取出來，利用逆向工程軟件geomagic和CAD軟件UG構(gòu)造高溫時的模具型面Dg和對應(yīng)的等效模具模型。在有限元分析軟件ABAQUS中將模具的高溫等效模型沿固化降溫方向降至室溫，得到室溫下模具的離散等效模型D0。再次采用逆向工程技術(shù)和CAD軟件利用模具離散幾何信息構(gòu)建模具初始型面設(shè)計模型D（0）和等效的模具模型（圖5）以及材料在固化前的初始模型P（0）。為了分別補(bǔ)償材料和模具在固化降溫階段的熱收縮變形，材料在逆向升溫過程中沒有考慮模具的影響；同時模具等效模型的降溫過程也僅是模具自身的熱收縮，沒有考慮材料的影響。

圖5 模具初始設(shè)計模型

復(fù)合材料固化過程中的化學(xué)收縮應(yīng)變是由材料在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的物理性能所決定的，不能通過模具型面進(jìn)行補(bǔ)償。因此，本文固化升溫階段的數(shù)值模擬過程沒有考慮由于化學(xué)收縮引起的應(yīng)力、應(yīng)變，僅考慮了固化過程中材料的熱膨脹系數(shù)、模量和固化反應(yīng)放熱等變化對變形和應(yīng)力的影響。固化升溫過程中罐內(nèi)環(huán)境溫度采用文獻(xiàn) [7]推薦的加載周期（圖4），兩個升溫階段的加載速率都是5℃/min，固化點溫度為177℃；降溫過程以-5℃/min的速率從177℃降溫至25℃，整個固化周期中熱壓罐內(nèi)的溫度和壓力分布均勻。

2.4 模擬結(jié)果分析

圖6是復(fù)合材料層合板逆向升溫至玻璃態(tài)下的應(yīng)力分布。復(fù)合材料在固化過程中的約束主要是模具對它的支撐約束和熱壓罐內(nèi)施加于材料表面的氣壓約束。復(fù)合材料的固化過程是由粘流態(tài)經(jīng)橡膠態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化的，在這個過程中材料由于應(yīng)力松弛的作用，其在固化升溫階段的應(yīng)力會迅速釋放。為了消除固化模擬過程中模具對材料沿徑向方向的約束所造成的材料應(yīng)力不能釋放從而進(jìn)一步造成材料中間部分的隆起變形，本文模擬過程中在材料和模具的邊緣部分引入一層橡膠層來平衡模具對材料徑向方向的約束，材料和模具的其余部分設(shè)定為接觸約束，使得模擬過程更接近實際情況。

圖7是復(fù)合材料層合板在固化點時的位移分布。對比復(fù)合材料層合板固化升溫后的變形位移和其設(shè)計型面理想高溫形狀（圖8、圖9），經(jīng)過模具型面的溫度補(bǔ)償后，復(fù)合材料層合板的位移變形量很小。模具型面溫度補(bǔ)償后的結(jié)果表明，通過模具型面的溫度補(bǔ)償能夠有效補(bǔ)償材料固化周期過程中的熱彈性變形量。

圖6 材料沿路徑c-d方向升溫至玻璃態(tài)后的應(yīng)力分布

圖7 材料固化至固化點時位移分量U2的分布

3 結(jié)論

本文針對復(fù)合材料熱壓罐成形工藝過程中的熱彈性變形問題，采用對模具設(shè)計型面進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)霓k法來補(bǔ)償材料的熱變形。本文模具型面的補(bǔ)償法是建立在引起構(gòu)件彈性變形機(jī)理的基礎(chǔ)上。補(bǔ)償過程中綜合考慮了構(gòu)件固化降溫階段中的熱彈性變形和模具在固化升溫階段引起的熱變形，是一種物理的補(bǔ)償方法。模具型面設(shè)計后的數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用熱補(bǔ)償?shù)哪＞咝兔嬖O(shè)計方法設(shè)計的模具型面能夠有效補(bǔ)償復(fù)合材料制件成形過程中由于模具與復(fù)合材料之間熱、力學(xué)性能不一致以及固化過程中材料自身熱、力學(xué)性能變化而導(dǎo)致的制件固化變形問題。

圖8 材料固化升溫后和逆向升溫后位移U2沿節(jié)點路徑1-1的分布

圖9 材料固化升溫后和逆向升溫后位移U2沿節(jié)點路徑1-2的分布

[1]陳祥寶，張寶艷，邢麗英.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀.中國材料進(jìn)展，2009，28（6）.

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Study on compensation method of die surface for composite autoclave forming process

TANG Xingling1,SU Hao2,SI Chaorun2
（1.China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd,Beijing 100840,China; 2.School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）

Aiming at the deformation issues of the composite during curing process,a kind of die surface temperature compensation method has been proposed in the text in order to compensate the deformation value of the composite.The idea is that the member satisfies design profile after being formed.Firstly,the ideal profile in high temperature is the expansion of the member from low temperature to the glass state temperature.Then,the hot deformation of die in the curing cycle is elastic,that is,the die surface would recover to the original profile after the composite is being cured and die releases.The die surface has been designed on the basis of accurate prediction of die surface geometry profile at curing point temperature.The compensated numerical simulation results show that die surface by hot compensation design method can effectively compensate the member curing deformation issues during composite member forming process caused by thermal and mechanical properties unconformity between die and composite,and changes of composite thermal and mechanical properties during curing process.

Thermosetting resin matrix composite;Curing;Die surface compensation

TH061

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.022

1672-0121（2017）01-0088-04

2016-10-20；

2016-12-01

唐興齡（1986-），女，工程師，從事復(fù)合材料成形工藝、結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設(shè)計等研究。E-mail：tangxl5143@163.com；

司朝潤（1985-），男，博士后，從事機(jī)械設(shè)計、材料成形等研究。E-mail：scr527@163.com