熱固性樹脂基復(fù)合材料固化變形控制及其應(yīng)用

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

1 引 言

復(fù)合材料具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(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)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，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)過程[1-2]。此外，增強(qiáng)纖維和基體樹脂熱膨脹系數(shù)不同[3]，固化工藝參數(shù)不同，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，限制了其在工程中的廣泛應(yīng)用。

針對(duì)熱固性樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化變形問題，一般通過調(diào)整模具型面來補(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，大大增加了制造成本和研制周期，嚴(yán)重制約復(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，亟待開展復(fù)合材料固化變形的預(yù)測與固化變形補(bǔ)償方法研究，建立復(fù)雜外形曲面零件變形量補(bǔ)償和專用技術(shù)，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)測和補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)在層合板固化變形的形成機(jī)理和控制方法領(lǐng)域進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究，取得了一定進(jìn)展。試驗(yàn)與理論研究表明，影響復(fù)合材料固化變形的因素有很多，如固化過程升、降溫速率、模具的材料和形狀、結(jié)構(gòu)件本身的結(jié)構(gòu)特性等。這些影響因素可以歸為以下幾類：(1)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的各向異性；(2)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的構(gòu)型與尺寸；(3)層合板鋪層順序；(4)固化過程工藝參數(shù)；(5)構(gòu)件-模具耦合作用等。

復(fù)合材料精確制造的核心就是固化變形量的預(yù)測和補(bǔ)償。對(duì)復(fù)合材料固化過程中發(fā)生的變形問題進(jìn)行高精度預(yù)測，必須要求所建立的模擬方法能夠準(zhǔn)確反映固化階段各種物理化學(xué)過程復(fù)雜的耦合協(xié)同作用。從目前國內(nèi)外的研究進(jìn)展看，復(fù)雜構(gòu)型復(fù)合材料固化變形的預(yù)測方法[5]大致可分為以下三類，包括有限元模型預(yù)測方法、回歸分析預(yù)測方法以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法。然而，出于工程應(yīng)用需求的考慮，則希望固化變形預(yù)測方法具有步驟簡單規(guī)范、計(jì)算效率高、成本低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

本文研究了大尺寸C型梁、U型前緣及整流罩等典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的固化變形問題。通過研究，開發(fā)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)償量預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)三種典型結(jié)構(gòu)的固化變形量預(yù)測與補(bǔ)償，滿足工程應(yīng)用要求。

2 研究方法及試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

2.1 研究方法

C型梁及U型前緣及整流罩的固化變形控制研究方案如下：①設(shè)計(jì)并制造典型結(jié)構(gòu)的局部特征試驗(yàn)件，通過檢測局部特征試驗(yàn)件的型面數(shù)據(jù)，分析結(jié)構(gòu)形式、鋪層方式、固化工藝參數(shù)、成型模具等因素對(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)測方法；③針對(duì)工程上的復(fù)合材料制件，根據(jù)該預(yù)測方法，獲取變形規(guī)律和補(bǔ)償量，建立工藝數(shù)模；④通過變形補(bǔ)償后的工藝模型驅(qū)動(dòng)成型模具設(shè)計(jì)和成型過程，實(shí)現(xiàn)C型梁及U型前緣整流罩等結(jié)構(gòu)件的高效、高質(zhì)量成型。

2.2 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

2.2.1C型梁固化變形規(guī)律局部特征試驗(yàn)件設(shè)計(jì) 本方案選擇L型層壓件與C型層壓件來開展基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，選取2種復(fù)合材料。L型層壓件尺寸見圖1，其中L1為100mm， L2和L3分別為150mm，150mm。C型層壓件尺寸見圖2，其中L1和L2為100 mm，L3為200mm，H為150mm。

圖1 L型層壓件尺寸圖Fig.1 L-type laminated sheet dimensions

圖2 C型層壓件尺寸示意圖Fig.2 C-type laminated sheet dimensions

本方案選取模具材料(殷鋼與普通鋼)、降溫速率兩個(gè)影響因素開展固化變形規(guī)律單因素實(shí)驗(yàn)，具體參數(shù)見表1及表2。選取鋪層厚度、R角半徑、工裝結(jié)構(gòu)形式(鋼制凸模與凹模)三個(gè)因素開展響應(yīng)面試驗(yàn)，參數(shù)見表3。通過試驗(yàn)得到各因素對(duì)零件固化變形影響的數(shù)學(xué)表達(dá)公式。

表1 降溫速率單因素試驗(yàn)參數(shù)表(L型層壓件)Table 1 Test parameter table of the cooling rate single factor

表2 模具材料單因素試驗(yàn)參數(shù)表(C型層壓件)Table 2 Test parameter table of the tooling material single factor

表3 C型梁響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)件參數(shù)表(中心點(diǎn)次數(shù)為5)Table 3 Test parameter table of C-type beam test piece with response surface experimental method

注：1)表3中鋪層層數(shù)一列，-1.41代表24層，-1代表32層，0代表48層，1代表64層，1.41代表72層。2)對(duì)于凹模工裝，表中R角半徑一列，-1.41代表5mm，-1代表8mm，0代表12mm，1代表16mm，1.41代表19mm。3)對(duì)于凸模工裝，表中R角半徑一列，-1.41代表3mm，-1代表5mm，0代表9mm，1代表13mm，1.41代表15mm。

2.2.2U型件固化變形規(guī)律局部特征試驗(yàn)件設(shè)計(jì) 前緣及整流罩類零件為飛機(jī)上的次承力部件，外形雙曲，截面為U型，以下簡稱為U型件。由于U型件包含的材料種類多、結(jié)構(gòu)尺寸差異大、工藝因素多以及模具等相關(guān)因素影響，導(dǎo)致其固化變形機(jī)理復(fù)雜，成型精度難以控制。前緣及整流罩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某前緣零件固化變形情況，結(jié)果如圖3所示。收口變形導(dǎo)致前緣及整流罩類零件在后續(xù)的裝配過程中產(chǎn)生裝配容差超差問題，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3 前緣零件三維掃描測量結(jié)果Fig.3 Measurement result of leading edge part

為了獲得U型件的固化變形規(guī)律，同時(shí)減少試驗(yàn)數(shù)量，選取預(yù)浸料種類、鋪層層數(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)件組合形式同表3，參數(shù)見表4。試驗(yàn)件為定截面，分為層壓結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)兩種，成型用的工裝材質(zhì)為普通鋼。層壓結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件長度為200mm，夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件長度為400mm，曲率半徑R的范圍為20～200mm，R區(qū)夾角θ均為90°。L1和L2均為80mm。局部特征試驗(yàn)件截面示意圖見圖4。

圖4 U型局部特征試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of local characteristic test piece of U type

Part structure typeMaterial typeNumber of layersCurve radius/mmLaminated partsEpoxy glass clothepoxy carbon clothBismaleimide carbon cloth6、8、10、12、14Interlayer partsCarbon/Glass cloth+Hexagonal honeycomb coreCarbon/Glass cloth+Flexible honeycomb coreGlass cloth+Foam coreSurface layer(3 plys)/Adhesive film/Honeycomb Core/Adhesive film/Surface layer(3 plys)20、40、60、80、100、120、140、160、180、200

2.3 局部特征試驗(yàn)件制造及檢測

采用熱壓罐成型工藝制造C型梁及U型件的固化變形規(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。

3 結(jié)果與討論

3.1 固化變形預(yù)測數(shù)學(xué)模型

采用響應(yīng)面法預(yù)測復(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)律模型如式(1):

(1)

式中，Δθ0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，c1為擬合系數(shù)。

(2)

式中，θ為成型角，f為回彈率，θ′為補(bǔ)償修正后的成型角。

基于C型梁及U型件的局部特征試驗(yàn)件測量數(shù)據(jù)，可分別求解式(1)中的擬合系數(shù)a1、a2、b1、b2、c1、c2，構(gòu)建出不同材料對(duì)應(yīng)的圓弧半徑R、鋪層層數(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′。

針對(duì)工程上特定C型梁及U型件零件，按照式(1)和式(2)，求解出補(bǔ)償修正后的成型角θ′。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θ′，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)件制造和型面檢測。通過型面檢測結(jié)果與理論型面進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證C型梁固化變形補(bǔ)償梁預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

該固化變形補(bǔ)償預(yù)測方法依據(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，具有步驟簡單規(guī)范、計(jì)算效率高、成本低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.2 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的固化變形規(guī)律及補(bǔ)償預(yù)測

3.2.1C型梁固化變形規(guī)律及補(bǔ)償預(yù)測 L型固化變形局部特征試驗(yàn)件的外形檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5 L型層壓件檢測結(jié)果示意圖Fig.5 Measurement result of L-type laminated sheet

3.2.1.1 模具材料、降溫速率對(duì)固化變形規(guī)律的影響 對(duì)比L型層壓件和C型層壓件的型面檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同鋪層、相同外形結(jié)構(gòu)前提下，不同模具材料(殷鋼與普通鋼)對(duì)零件固化變形影響的差異性較小，采用較小降溫速率時(shí)，固化變形量略小于采用較大降溫時(shí)，固化變形量。

3.2.1.2 鋪層厚度、R角半徑、工裝結(jié)構(gòu)形式三個(gè)因素對(duì)固化變形規(guī)律的影響 對(duì)比L型層壓件和C型層壓件的型面檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同鋪層、相同外形結(jié)構(gòu)前提下，采用凹模工裝成型時(shí)固化變形量略小于采用凸模工裝成型時(shí)的固化變形量。隨著鋪層厚度增加，固化變形量逐漸增加，當(dāng)層數(shù)為48層即厚度增大到6mm左右時(shí)固化變形量達(dá)到最大值，然后固化變形量逐漸減小。

3.2.2U型件固化變形規(guī)律及補(bǔ)償預(yù)測 曲率半徑R100的碳布層壓結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)U型局部特征試驗(yàn)件檢測結(jié)果如圖6，7所示，箭頭方向表示變形趨勢。從圖中可以看出，在試驗(yàn)件兩側(cè)部位，型面為收縮狀態(tài)，且越靠近邊緣則收縮量越大；同時(shí)，兩側(cè)收縮導(dǎo)致圓弧段中間部位出現(xiàn)反向變形。

圖6 U型層壓結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件檢測結(jié)果Fig.6 Measurement result of U-type laminated sheet

圖7 夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件型面檢測結(jié)果Fig.7 Measurement result of U-type Interlayer part

根據(jù)U型局部特征試驗(yàn)件檢測結(jié)果可得出以下結(jié)論：1)在預(yù)浸料種類及曲率半徑R相同的情況下，層壓結(jié)構(gòu)的變形量明顯大于夾層結(jié)構(gòu)；2)玻璃纖維預(yù)浸料制件的變形量大于碳纖維預(yù)浸料制件，差異大小取決于配套的樹脂體系；3)鋪層層數(shù)相同的情況下，隨著曲率半徑R增大，試驗(yàn)件的固化變形量減?。?)曲率半徑R相同的情況下，隨著鋪層層數(shù)增加，試驗(yàn)件的固化變形量逐漸減小。

3.3 固化變形預(yù)測方法的工程驗(yàn)證

針對(duì)工程上的C型梁及U型復(fù)合材料制件，本方案中固化變形預(yù)測方法的應(yīng)用過程主要包括：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)成型模具設(shè)計(jì)和成型過程。5)利用三維激光跟蹤儀或激光掃描儀等測量設(shè)備檢測試驗(yàn)件型面。最終實(shí)現(xiàn)C型梁及U型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的高效、高質(zhì)量成型。

3.3.1C型梁工程驗(yàn)證 選取某機(jī)翼梁零件，采用凸成型模固化成型，零件厚度分別為4.8mm/5.0mm/7.0mm，內(nèi)R分別為8.6mm/8.2mm/6.8mm。按照C型梁固化變形預(yù)測數(shù)學(xué)模型函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出多組回彈角，綜合考慮工藝模型設(shè)計(jì)，取翼梁零件回彈角平均值1.6°作為工藝模型補(bǔ)償量，進(jìn)行了變形補(bǔ)償工藝模型設(shè)計(jì)、變形補(bǔ)償工裝模型設(shè)計(jì)和工裝制造、翼梁試驗(yàn)件制造和型面檢測。翼梁零件型面公差-0.75mm～0mm，利用三維激光跟蹤儀檢測型面，型面合格點(diǎn)數(shù)由40%左右提高到91%，證明基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的C型梁固化變形規(guī)律及補(bǔ)償量預(yù)測方法適用于工程上的C型梁研制。

3.3.2U型件工程驗(yàn)證 選取某機(jī)翼整流罩零件，利用本文中的變形補(bǔ)償計(jì)算方法進(jìn)行工藝過程設(shè)計(jì)。按照工藝數(shù)模設(shè)計(jì)成型工裝型面，制造整流罩試驗(yàn)件。利用三維激光跟蹤儀測定試驗(yàn)件型面，零件氣動(dòng)外緣型值基本公差為(0±1.0)mm，比對(duì)分析結(jié)果如圖8及圖9所示。

圖8 試驗(yàn)件A-按理論數(shù)模制造Fig.8 Test piece A-manufactured according to theoretical model

圖9 試驗(yàn)件B-按工藝數(shù)模制造Fig.9 Test piece B-manufactured according to process model

綜合分析圖8、圖9及表5可知，按照預(yù)測補(bǔ)償值構(gòu)建的工藝數(shù)模制造試驗(yàn)件，其固化后的變形量可減少約90%，型面合格點(diǎn)數(shù)由66%提高到96%，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)測方法適用于工程上的U型件，按照本文中的變形補(bǔ)償方法可實(shí)現(xiàn)U型件的固化變形控制，顯著降低工裝返修率和制造成本。

表5 試驗(yàn)件A及試驗(yàn)件B的型面檢測結(jié)果Table 5 Surface measurement results of test piece A and B

4 結(jié) 論

本文針對(duì)飛機(jī)C型梁、U型件兩種典型結(jié)構(gòu)，通過局部特征試驗(yàn)件制造及檢測，構(gòu)建了兩種典型結(jié)構(gòu)的固化變形補(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C型梁及U型件的型面精度，滿足工程實(shí)用要求。

對(duì)于已經(jīng)構(gòu)建的C型梁、U型件固化變形經(jīng)驗(yàn)公式，仍需在工程應(yīng)用過程中根據(jù)補(bǔ)償后制件的實(shí)際偏差值范圍進(jìn)行優(yōu)化，通過持續(xù)的積累和完善，不斷提高預(yù)測和補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度，最終實(shí)現(xiàn)C型梁、U型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的變形可控制造。