復(fù)合材料構(gòu)件成型模具型板改進(jìn)設(shè)計(jì)

肖東成

摘要：近50年來，先進(jìn)復(fù)合材料因其高強(qiáng)度、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械工程、醫(yī)療、交通等行業(yè)得到了日益廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。尤其是航空制造業(yè)，復(fù)合材料在飛機(jī)中的應(yīng)用比例逐年提升，成為航空工業(yè)中主要發(fā)展和研究的對象。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;構(gòu)件成型模具;型板改進(jìn)設(shè)計(jì)

引言

隨著人類科技的快速發(fā)展，航空航天、武器裝備等高精尖領(lǐng)域越來越受到人們的重視，尋找一種輕質(zhì)、高模量、高強(qiáng)度的材料已經(jīng)成為許多科研工作者的研究方向。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料能夠結(jié)合單個(gè)組份材料的特性來提高其性能或擴(kuò)展其功能。與傳統(tǒng)材料相比，它們具有強(qiáng)度高、質(zhì)量小、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料根據(jù)樹脂基體的不同，主要分為熱塑性樹脂基復(fù)合材料和熱固性樹脂基復(fù)合材料。

1當(dāng)前飛機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配協(xié)調(diào)技術(shù)現(xiàn)狀

飛機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料基于本身屬性的不同，受影響的因素也不相同，由于復(fù)合材料樹脂固化收縮、模具熱膨脹系數(shù)等因素不同，直接影響復(fù)合材料制造后的尺寸精度。如果飛機(jī)復(fù)合材料部件位置不匹配，將嚴(yán)重影響后續(xù)的處理。采取強(qiáng)制的處理方法，金屬部件會產(chǎn)生變形的現(xiàn)象，增加了額外的應(yīng)力，加之復(fù)合材料眾多的不確定因素，加劇了結(jié)構(gòu)裝配協(xié)調(diào)問題。復(fù)合材料的高剛度難以將其制壓到合適位置上，對于不符合標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件，一般采用加墊補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浜?，這增加了經(jīng)費(fèi)成本，因此必須提高結(jié)構(gòu)裝配協(xié)調(diào)技術(shù)的創(chuàng)新性，減少各項(xiàng)因素影響而產(chǎn)生的誤差。

2復(fù)合材料構(gòu)件成型模具型板改進(jìn)設(shè)計(jì)策略

2.1數(shù)值模擬分析

復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型是一個(gè)多場耦合的復(fù)雜過程。對復(fù)合材料傳熱情況分析如下。

1）罐內(nèi)空氣與固體區(qū)域（模具和構(gòu)件）之間通過氣體流動以對流換熱的方式傳遞熱量。

2）由于脫模劑傳導(dǎo)率低且厚度比較薄，因此可忽略其對傳熱的影響。本文仿真時(shí)假設(shè)成型模具與構(gòu)件在固化中受壓力作用，模具型板上表面與構(gòu)件下表面緊密貼合，兩者之間進(jìn)行熱傳導(dǎo)。此外模具本身存在熱傳導(dǎo)。

3）復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部樹脂基固化放熱，同時(shí)存在自身熱傳遞。

在以上傳熱規(guī)律的基礎(chǔ)上，對熱壓罐固化過程中成型模具溫度場進(jìn)行模擬仿真。

2.2非等厚型板模具溫度場模擬

2.2.1梯形非等厚度型板

設(shè)計(jì)4組梯形非等厚型板，從迎風(fēng)端口處開始，分別至距迎風(fēng)端400mm、450mm、500mm和600mm處。原框架式成型模具型板厚度為15mm，此處對型板進(jìn)行變厚度處理，將高溫區(qū)域厚度調(diào)整為20mm，其他區(qū)域降至10mm。以上4種梯形型板在不同程度上對于型板表面溫度均勻性均有所改善。其中距離迎風(fēng)端500mm時(shí)，最大溫差為29.81K，相較原始型板降低了40.51%，最大溫度方差43.8K2，降低了73.65%。如圖5所示，所有型板表面在過渡區(qū)均出現(xiàn)溫度起伏區(qū)域，其中400mm和600mm在厚度過渡區(qū)域更為明顯，因此可通過對距離迎風(fēng)端30%～33.3%處進(jìn)行加厚處理。在厚度從20mm～10mm突變區(qū)域，型板表面出現(xiàn)最大溫度起伏，其中最大溫度起伏區(qū)域多出現(xiàn)于厚度突變交界處。隨著距迎風(fēng)端距離增大，突變區(qū)域距離迎風(fēng)端越遠(yuǎn)，溫度起伏區(qū)域也隨之后移，且區(qū)域長度及溫度差隨之增大。

2.2.2階梯形非等厚度型板

由上節(jié)可知，梯形型板雖然在一定程度上有效地提高了型板表面溫度均勻性，但在厚度突變區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的溫度起伏區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種階梯形型板，在高溫區(qū)域?qū)⒑穸炔捎弥饾u遞減的方式，將厚度從20mm遞減至10mm并保持。同時(shí)，根據(jù)上節(jié)所產(chǎn)生的突變處溫度起伏，將距迎風(fēng)端距離增大，采用階梯形變化趨勢，取消厚度突變區(qū)域，使得高溫區(qū)域后面區(qū)域更接近于原厚度，從而緩解突變改善均勻性。較于梯形型板，階梯形型板表面云圖未出現(xiàn)明顯的起伏現(xiàn)象。階梯形型板對于溫度均勻性改善起到了一定作用，其中當(dāng)距離迎風(fēng)端900mm時(shí)，最大溫差與溫度方差都達(dá)到了最小值，即溫度均勻性達(dá)到最佳狀態(tài)。此時(shí)最大溫差為32.78K，相較于原始溫差降低了34.56%，溫度方差為32.26K2，下降了70.25%。

2.3連續(xù)變厚度型板

前兩種變厚度方式均為對固定區(qū)域進(jìn)行厚度變厚處理，本節(jié)中提出一種從迎風(fēng)端開始處冪函數(shù)連續(xù)變厚度方式。本文采用s∝xn厚度變化函數(shù)，其中s為型板厚度，x為距迎風(fēng)端距離，其中n取0.5～1。當(dāng)n為0.8時(shí)，最大溫差及溫度方差達(dá)到最小，即型板表面溫度均勻性最好，此時(shí)溫度方差為25.98K2。而隨著n的增大或減小，溫度方差也隨之增大或減小。周光炯等研究表明，溫度邊界層與速度邊界層成正比相關(guān)，且δt∝x0.8。當(dāng)n為0.8時(shí)，即s∝x0.8時(shí)，型板厚度變化規(guī)律與溫度邊界層厚度變化規(guī)律同步，因此型板表面溫度均勻性達(dá)到最佳。

結(jié)語

本文利用FLUENT進(jìn)行熱壓罐固化過程中溫度場模擬。研究發(fā)現(xiàn)型板表面低溫區(qū)域出現(xiàn)在距迎風(fēng)端115mm處，約占面積25%。為有效提高型板表面溫度均勻性，本文提出一種對型板不同區(qū)域變厚度方法，分別對型板低溫區(qū)域減厚和高溫區(qū)域加厚。主要包括3種厚度方法：梯形、階梯形、連續(xù)變厚度，通過有限元仿真對改善后型板分別進(jìn)行模擬型板表面溫度分布均勻性，分析得到以下結(jié)果：1）梯形型板在突然變厚度區(qū)域存在明顯的溫度起伏現(xiàn)象，其中400mm與600mm尤為明顯，因此可通過對距離迎風(fēng)端30%～33.3%處進(jìn)行加厚處理。2）階梯形型板未出現(xiàn)明顯溫度起伏現(xiàn)象，當(dāng)距離迎風(fēng)端900mm區(qū)域加厚時(shí)，溫度均勻性達(dá)到最佳狀態(tài)，溫度方差降低近70.25%。3）連續(xù)變厚度型板采用s∝x0.8函數(shù)關(guān)系時(shí)，型板厚度變化規(guī)律與溫度邊界層厚度規(guī)律一致，此時(shí)溫度均勻性最佳，結(jié)果表明此時(shí)溫度方差降低了84.37%。

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