前緣類復(fù)合材料制件固化變形控制的研究及應(yīng)用

成艷娜，李 楠，李欣桐，何煜文

（西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089）

復(fù)合材料具有質(zhì)輕、強(qiáng)度較高、模量較大、抗疲勞、耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適用于大型及整體結(jié)構(gòu)，是理想的航空結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用日益廣泛。熱壓罐成型工藝是目前廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成型方法之一。然而，采用熱壓罐固化的熱固性樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件普遍存在固化變形現(xiàn)象。復(fù)合材料在固化成型階段經(jīng)歷了復(fù)雜的溫度和壓力歷程，會(huì)發(fā)生樹脂基體交聯(lián)反應(yīng)、樹脂基體固化收縮以及樹脂流動(dòng)等一系列復(fù)雜的物理-化學(xué)過(guò)程[1，2]。此外，由于增強(qiáng)纖維和基體樹脂熱脹系數(shù)不同[3]，固化工藝參數(shù)各異，以及零件-模具相互作用[4]，使得在固化成型階段復(fù)合材料零件內(nèi)部極易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，最終導(dǎo)致復(fù)合材料零件脫模后產(chǎn)生變形。復(fù)合材料固化變形問(wèn)題嚴(yán)重影響其加工成本和質(zhì)量穩(wěn)定性，限制了其在工程上的廣泛應(yīng)用。

前緣類零件為飛機(jī)上的次承力部件，外形雙曲，截面為U型。由于前緣類零件受材料種類、結(jié)構(gòu)尺寸差異、工藝因素以及不同模具等相關(guān)因素影響，導(dǎo)致其固化變形機(jī)理較為復(fù)雜，成型精度難以控制。前緣類零件固化變形表現(xiàn)為收口，越接近零件邊緣則收口變形量越大。采用三維激光掃描儀檢測(cè)某前緣零件固化變形情況，結(jié)果如圖1所示。收口變形導(dǎo)致前緣類零件在后續(xù)的裝配過(guò)程中產(chǎn)生裝配容差超大等問(wèn)題，若強(qiáng)制裝配則可能降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命，甚至造成制件報(bào)廢。

圖1 前緣零件三維掃描結(jié)果與設(shè)計(jì)模型比對(duì)Fig.1 Comparison of measurement result and design model for leading edge part

針對(duì)前緣類復(fù)合材料制件固化變形問(wèn)題，一般通過(guò)調(diào)整模具型面來(lái)補(bǔ)償制件變形量，以控制變形程度或抵消變形的影響作用。模具的調(diào)整量通常根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)或反復(fù)試模。該方法大大增加了制件的成本預(yù)算和研制周期，嚴(yán)重制約了復(fù)合材料在復(fù)雜裝配關(guān)系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型及用量的大幅增加，工程上對(duì)復(fù)合材料固化變形的預(yù)測(cè)與固化變形補(bǔ)償方法提出了緊迫的現(xiàn)實(shí)要求。改變依靠工藝人員經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試錯(cuò)進(jìn)行變形量預(yù)測(cè)和補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)方法，建立復(fù)雜外形曲面零件變形量補(bǔ)償和專用技術(shù)，成為必須面對(duì)和解決的問(wèn)題。出于工程應(yīng)用需求的考慮，希望固化變形預(yù)測(cè)方法具有步驟簡(jiǎn)單規(guī)范、計(jì)算效率較高、成本較低、實(shí)用性較強(qiáng)等特點(diǎn)。

本研究探討了前緣類復(fù)合材料制件的固化變形問(wèn)題，開發(fā)了一套基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化變形規(guī)律及其補(bǔ)償量的預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了前緣類復(fù)合材料制件的固化變形量預(yù)測(cè)與補(bǔ)償，滿足了工程應(yīng)用的要求。

1 研究方法及試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

1.1 研究方法

前緣類復(fù)合材料的固化變形控制研究方案如下：①設(shè)計(jì)并制造前緣類典型結(jié)構(gòu)的局部特征試驗(yàn)件，通過(guò)檢測(cè)局部特征試驗(yàn)件的型面數(shù)據(jù)，分析材料種類、結(jié)構(gòu)形式、鋪設(shè)層數(shù)、夾芯材料種類及厚度等因素對(duì)試驗(yàn)件固化變形量的影響；②基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立一種便于工程上應(yīng)用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化變形規(guī)律及其補(bǔ)償量的預(yù)測(cè)方法；③針對(duì)工程上的復(fù)合材料制件，根據(jù)該預(yù)測(cè)方法，獲取變形規(guī)律和補(bǔ)償量，建立工藝數(shù)模；④通過(guò)變形補(bǔ)償后的工藝模型驅(qū)動(dòng)成型模具設(shè)計(jì)和成型過(guò)程，實(shí)現(xiàn)前緣類復(fù)合材料制件的高效、高質(zhì)量成型。

1.2 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

為了獲得前緣類零件的固化變形規(guī)律，同時(shí)減少試驗(yàn)數(shù)量，選取預(yù)浸料種類、鋪設(shè)層數(shù)、夾芯材料種類及厚度、曲率半徑R等參數(shù)相互組合，開展響應(yīng)面試驗(yàn)。試驗(yàn)件參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)件為定截面，分為層壓結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)2種，成型用的工裝材質(zhì)為普通鋼。層壓結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件長(zhǎng)度為200 mm，夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件長(zhǎng)度尺寸為400 mm，R區(qū)半徑范圍為20～200 mm，R區(qū)夾角θ均為90°。局部特征試驗(yàn)件截面示意如圖2所示。

表1 響應(yīng)面法試驗(yàn)件參數(shù)Tab.1 Test parameters of test specimens for response surface experiment method

圖2 局部特征試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of local characteristic test specimen

2 固化變形規(guī)律局部特征試驗(yàn)件的制造及檢測(cè)

采用熱壓罐成型工藝制造固化變形規(guī)律局部特征試驗(yàn)件。固化工藝按照每種材料工程上使用的參數(shù)。試驗(yàn)件型面檢測(cè)采用三維激光跟蹤儀。利用SA軟件的特征擬合與球面提取功能，將點(diǎn)云與理論數(shù)模進(jìn)行比對(duì)分析，得到固化前后的變形情況。層壓件及夾層件的檢測(cè)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 層壓結(jié)構(gòu)局部特征試驗(yàn)件及變形情況檢測(cè)結(jié)果Fig.3 local characteristic test specimen of laminated structure and deformation test result

圖4 夾層結(jié)構(gòu)局部特征試驗(yàn)件及變形情況檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Local characteristic test specimen of sandwich structure and deformation test result

3 固化變形規(guī)律及補(bǔ)償量預(yù)測(cè)方法

采用響應(yīng)面法預(yù)測(cè)復(fù)合材料的固化變形，采用雙因素中心復(fù)合法，得到二次方的實(shí)驗(yàn)規(guī)律模型，見式（1）。

基于局部特征試驗(yàn)件測(cè)量數(shù)據(jù)，可分別求解函數(shù)關(guān)系式（1）中的擬合系數(shù)a1、 a2、b1、 b2、 c1和 c2， 構(gòu) 建 出 不 同 材 料 對(duì) 應(yīng) 的 圓 弧半徑R、鋪設(shè)層數(shù)與固化變形量之間的函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)而得到補(bǔ)償量函數(shù)關(guān)系式（2）中的補(bǔ)償修正后的成型角θ′。

式中，為基礎(chǔ)試驗(yàn)角度回彈值，θ0為直角，r為圓角半徑，t為鋪層數(shù)量，a2、 a1、b2、 b1、 c2和 c1為 擬 合 系 數(shù) 。

式中，θ為成型角，f為回彈率，為補(bǔ)償修正后的成型角。

針對(duì)工程上特定的前緣零件，按照固化變形預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型函數(shù)關(guān)系式（1）和函數(shù)關(guān)系式（2），求解出補(bǔ)償修正后的成型角。利用零件理論型面，根據(jù)求解出的補(bǔ)償修正后的成型角，可進(jìn)行固化變形補(bǔ)償工藝模型設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行成型工裝的設(shè)計(jì)和制造，最后進(jìn)行試驗(yàn)件的制造和型面檢測(cè)。通過(guò)型面檢測(cè)結(jié)果與理論型面進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證前緣類復(fù)合材料制件固化變形補(bǔ)償預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

該固化變形補(bǔ)償預(yù)測(cè)方法依據(jù)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的函數(shù)關(guān)系式，可快速計(jì)算出不同曲率位置、不同厚度的變形補(bǔ)償量，具有步驟簡(jiǎn)單規(guī)范、計(jì)算效率較高、成本較低和實(shí)用性較強(qiáng)等特點(diǎn)。

4 固化變形預(yù)測(cè)方法的工程驗(yàn)證

針對(duì)工程上的前緣復(fù)合材料制件，本方案中固化變形預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用過(guò)程主要包括：①采用截面線離散或其他類似方法，在三維模型中提取零件基體型面進(jìn)行曲面離散及點(diǎn)離散，此過(guò)程可將復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)拆解為典型截面的多個(gè)圓弧段；②依據(jù)固化變形規(guī)律函數(shù)關(guān)系式預(yù)測(cè)每個(gè)弧段對(duì)應(yīng)的固化變形量，依據(jù)補(bǔ)償量函數(shù)關(guān)系式計(jì)算補(bǔ)償后的圓弧半徑；③按照半徑補(bǔ)償量對(duì)各弧段按照等弧長(zhǎng)原理重構(gòu)，最后拉伸厚曲面、添加相關(guān)結(jié)構(gòu)特征形成工藝數(shù)模；④按照工藝數(shù)模驅(qū)動(dòng)成型模具進(jìn)行設(shè)計(jì)和成型過(guò)程；⑤利用三維激光跟蹤儀或激光掃描儀等檢測(cè)試驗(yàn)件型面。最終實(shí)現(xiàn)前緣類復(fù)合材料制件的高效、高質(zhì)量成型。

圖5 前緣零件變形補(bǔ)償流程圖Fig.5 Flow chart of deformation compensation for leading edge part

選取某尾翼前緣零件，按照設(shè)計(jì)數(shù)模制造進(jìn)行試驗(yàn)，標(biāo)記為試驗(yàn)件A；按照?qǐng)D5中的前緣零件變形補(bǔ)償流程圖進(jìn)行工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，根據(jù)工藝數(shù)模設(shè)計(jì)成型工裝型面，制造前緣試驗(yàn)件，標(biāo)記為試驗(yàn)件B。利用三維激光跟蹤儀分別測(cè)定試驗(yàn)件A及B的型面[氣動(dòng)外緣型值基本公差為（0±1.0）mm]，比對(duì)分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知：按照預(yù)測(cè)補(bǔ)償值構(gòu)建的工藝數(shù)模制造試驗(yàn)件，型面合格點(diǎn)數(shù)由66.6%提高到90.2%，其固化后的變形量可減少約60%，證明基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的固化變形規(guī)律及補(bǔ)償量預(yù)測(cè)方法適用于工程上的前緣零件，按照本研究中的變形補(bǔ)償方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)前緣零件的固化變形控制，顯著降低工裝 返修率和制造成本。

表2 試驗(yàn)件A及試驗(yàn)件B的型面檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Profile measurement results of test specimen A and B

5 結(jié)論

本研究針對(duì)前緣類復(fù)合材料制件，通過(guò)局部特征試驗(yàn)件制造及檢測(cè)，構(gòu)建了固化變形補(bǔ)償經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，利用關(guān)系式可快速計(jì)算出不同曲率位置、不同厚度的變形補(bǔ)償量。工程驗(yàn)證表明，應(yīng)用該補(bǔ)償方法可提高前緣零件的型面精度，滿足工程實(shí)用要求。

對(duì)于已經(jīng)構(gòu)建的前緣零件固化變形經(jīng)驗(yàn)公式，仍需在工程應(yīng)用過(guò)程中根據(jù)補(bǔ)償后制件的實(shí)際偏差值的范圍進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)持續(xù)的積累和完善，不斷提高預(yù)測(cè)和補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度，最終實(shí)現(xiàn)前緣類復(fù)合材料制件的變形可控化。

參考文獻(xiàn)

[1]張紀(jì)奎,酈正能,關(guān)志東.復(fù)合材料層合板固化壓實(shí)過(guò)程有限元數(shù)值模擬及影響因素分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2007,24(2):125-130.

[2]李辰砂,冷勁松,王殿富,等.纖維增強(qiáng)對(duì)稱層合復(fù)合材料固化過(guò)程的研究[J].纖維復(fù)合材料,1991,6(1):1-6.

[3]李劍鋒,燕瑛.復(fù)合材料熱膨脹性能的細(xì)觀分析模型與預(yù)報(bào)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2013,39(8):1069-1073.

[4]Twigg G,Poursartip A,Fernlund G.Toolpart interaction in Composite Processing[J].Composites Part A Applied Science and Manufacturing,2004,35(1):121-133.