復(fù)合材料熱壓罐模具溫度場分析及二次開發(fā)

韓志仁，付 華，吳莉莉，肖樹坤

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136；3.洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 344700）

1 引言

熱壓罐成型技術(shù)是生產(chǎn)復(fù)合材料的主要方法，在生產(chǎn)大面積復(fù)雜形狀的飛機(jī)蒙皮、壁板等結(jié)構(gòu)中使用較多［1］。文獻(xiàn)［2-5］指出在熱壓罐工藝中，復(fù)合材料常常因?yàn)闇囟确植疾痪鶆驈亩a(chǎn)生殘余應(yīng)力，引起結(jié)構(gòu)變形，影響成型質(zhì)量。然而復(fù)合材料的溫度變化主要受成型模具的溫度場影響，所以隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，大量的學(xué)者利用有限元仿真技術(shù)對復(fù)合材料成型模具的溫度場進(jìn)行研究。例如：文獻(xiàn)［2］采用CFX軟件研究了熱壓罐固化工藝參數(shù)及模具擺放位置對模具溫度場的影響。文獻(xiàn)［6］使用Fluent軟件模擬了復(fù)合材料熱壓罐成型工藝的流場和溫度場。文獻(xiàn)［7］選擇PAM-AUTOCLAVE軟件模擬了熱壓罐工藝中復(fù)雜的多物理耦合情況。

目前大多數(shù)學(xué)者的研究重點(diǎn)都是結(jié)合流體力學(xué)和傳熱學(xué)的知識研究模具的傳熱路徑和熱壓罐罐內(nèi)的流態(tài)分析等，很少有人研究仿真模擬過程中的幾何建模，網(wǎng)格劃分，材料定義等前處理問題，然而這些問題是不可忽視的，它們是完成熱壓罐內(nèi)模具溫度場分析的必要條件。

所以，如何高效地建立幾何模型，如何快速規(guī)范地劃分溫度場網(wǎng)格，以及如何將復(fù)合材料的傳熱屬性進(jìn)行等效是一個(gè)急需研究的問題?；贏NSYS Workbench軟件平臺，利用二次開發(fā)技術(shù)，將模具溫度場分析中的參數(shù)化建模過程以及網(wǎng)格生成方法進(jìn)行程序的固化封裝，設(shè)計(jì)出易于操作的良好界面，為使用者提供方便，也具有一定的意義。

2 有限元分析技術(shù)

2.1 幾何建模分析

2.1.1 幾何模型的簡化

進(jìn)行熱壓罐中復(fù)合材料成型模具的溫度場仿真，首先需要對熱壓罐成型工藝中的實(shí)物模型進(jìn)行合理的簡化。在不影響分析結(jié)果的前提下，將模具簡化成平面型框架式模具；將模具表面的復(fù)合材料構(gòu)件簡化成實(shí)體模型；將含有內(nèi)外腔的熱壓罐簡化成只考慮內(nèi)腔流體區(qū)域的模型。簡化后的整體模型，如圖1所示。

圖1 整體簡化模型Fig.1 Overall Simplified Model

2.1.2 模具參數(shù)化設(shè)計(jì)

針對不同尺寸的復(fù)合材料構(gòu)件，所需的成型模具的尺寸也不同，反復(fù)的手動建模將增大仿真的工作量。所以有必要對復(fù)雜的成型模具進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，根據(jù)模型的設(shè)計(jì)規(guī)則對模具的各部分尺寸建立參數(shù)關(guān)聯(lián)，使其模型能隨著有效參數(shù)的改變而自動修改。為程序開發(fā)自動實(shí)現(xiàn)建模，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間奠定了基礎(chǔ)。

簡化后的平面型框架式模具由頂部規(guī)則的矩形平面和底部具有相同尺寸的支撐框格組成。底部的支撐框格是由帶有通風(fēng)孔和均風(fēng)孔的橫縱壁板垂直交叉而成，如圖2所示。

圖2 平面型框架式模具Fig.2 Flat Frame Mold

根據(jù)成型模具的建模過程，設(shè)計(jì)模具的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

圖3 模具參數(shù)化設(shè)計(jì)流程Fig.3 Parametric Design Process of Mold

下面以平面型框架式模具的橫向壁板，型面，通風(fēng)孔及均風(fēng)孔為例，介紹參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。如圖4所示，模具的有效參數(shù)如下：

圖4 模具有效尺寸圖Fig.4 Effective Size Drawing of Mold

R表示均風(fēng)孔的半徑；

t2表示模具型面的厚度；

H表示底部支撐框格的高度；

L表示通風(fēng)孔的長度；

t1表示支撐壁板的厚度；

W表示通風(fēng)孔的寬度；

D表示兩支撐壁板之間的距離。

橫向壁板的長度為t1×4+D×3，其中4表示與之配合的縱向壁板的數(shù)量，3表示通風(fēng)孔的個(gè)數(shù)（縱向壁板的數(shù)量-1）?，F(xiàn)在令橫向壁板的長度表示整個(gè)模具的寬度（也是模具型面的寬度），用W1表示；縱向壁板的長度表示整個(gè)模具的長度（也是模具型面的長度），用L1表示；橫向壁板的個(gè)數(shù)用x表示；縱向壁板的個(gè)數(shù)用y表示。則模具的寬度W1=t1×y+D×（y-1）；模具的長度L1=t1×x+D×（x-1）。

應(yīng)用以上的參數(shù)化設(shè)計(jì)規(guī)則實(shí)現(xiàn)模具模型的整體設(shè)計(jì)，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求自動控制模具尺寸以及橫縱方向的框格數(shù)量。

2.2 劃分網(wǎng)格分析

在模具溫度場分析中，網(wǎng)格劃分困難主要來源于兩個(gè)方面，復(fù)雜的幾何形狀和復(fù)雜的物理性狀。針對此問題，研究了模具溫度場分析中固體域和流體域的網(wǎng)格生成方法。

2.2.1 固體域網(wǎng)格生成方法

在有關(guān)流體力學(xué)計(jì)算中，對于成型模具這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格精度高但自動化效率低；使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自動化效率高但精度低。所以采用一種能綜合考慮以上兩種網(wǎng)格優(yōu)勢的混合單元網(wǎng)格劃分方法“，六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分方法”。此方法主要采用六面體單元來劃分，對復(fù)雜模型無法劃分完整六面體網(wǎng)格的部分自動用四面體、錐形體和楔形體來補(bǔ)充處理，無需手動分塊處理，并且只需要控制一個(gè)網(wǎng)格尺寸即可完成網(wǎng)格的劃分。

應(yīng)用此方法對模具和復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果復(fù)合材料單元全部為六面體，模具單元絕大部分為六面體少數(shù)為四面體極少數(shù)為錐形體和楔形體。

2.2.2 流體域網(wǎng)格生成方法

在流固耦合傳熱過程中，流體邊界層處的網(wǎng)格直接影響計(jì)算的精度，因此需要將邊界層處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。目前多種邊界層網(wǎng)格生成方法都利用混合網(wǎng)格的技術(shù)，在邊界處生成各向異性的體網(wǎng)格，在遠(yuǎn)物面生成四面體網(wǎng)格。

選擇常用的“平滑過渡法”劃分邊界層網(wǎng)格，此方法是在鄰近層之間保持平滑的體積增長率，邊界層的總厚度取決于基礎(chǔ)表面網(wǎng)格尺寸。通過控制過渡比、最大層數(shù)、增長率三個(gè)用戶參數(shù)即可快速的生成網(wǎng)格。應(yīng)用此方法劃分圓柱形流體區(qū)，邊界層處為楔形體和錐形體，遠(yuǎn)物面處為四面體。

劃分后的網(wǎng)格，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格圖Fig.5 Grid Diagram

2.3 復(fù)合材料等效

樹脂和纖維結(jié)合成的預(yù)浸料是制造大多數(shù)復(fù)合材料構(gòu)件的原材料，復(fù)合材料構(gòu)件最后由預(yù)浸料按角度鋪層后壓實(shí)固化成型。在固化的過程中，樹脂的密度、比熱容、熱導(dǎo)率會隨溫度和固化度的變化而變化，纖維的比熱和熱導(dǎo)率也受溫度影響。為了簡化這種復(fù)雜的關(guān)系并基于軟件的計(jì)算能力，這里將復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)等效成一個(gè)均質(zhì)材料實(shí)體，利用特征體積法［8］來計(jì)算復(fù)合材料的傳熱屬性。計(jì)算公式如下所示：

式中：ρ，C，k—復(fù)合材料的密度，比熱和熱導(dǎo)率；

Vm，ρm，km—樹脂的體積分?jǐn)?shù)，密度，熱導(dǎo)率。

復(fù)合材料看成一個(gè)整體后，樹脂的體積不再變化，已知纖維的體積分?jǐn)?shù)，則樹脂的體積分?jǐn)?shù)Vm=1-Vf。由于纖維的纖維方向比橫向方向具有更高的力學(xué)性能和更低的熱膨脹系數(shù)，所以將復(fù)合材料的平面熱導(dǎo)率以纖維為主，厚度方向熱導(dǎo)率以樹脂為主［9］。

3 二次開發(fā)技術(shù)

3.1 二次開發(fā)的方法

本研究中的二次開發(fā)主要依據(jù)ANSYS Workbench中的兩大技術(shù)：（1）開發(fā)工具SDK；（2）內(nèi)置腳本引擎。

Workbench是基于模塊化的架構(gòu)開發(fā)而成的協(xié)同仿真環(huán)境，協(xié)同仿真環(huán)境［10］就是將商用軟件與自制軟件有效集成后來解決產(chǎn)品研發(fā)過程中的仿真分析流程和數(shù)據(jù)管理等問題的集成平臺。其中SDK是Workbench架構(gòu)下集成其它外部程序的主要接口，支持用戶通過插件的方式對其進(jìn)行擴(kuò)展，用戶能夠利用外部的程序編輯器通過C#、C++、VB等語言進(jìn)行組件的開發(fā)，將程序編譯成DLL文件，再通過XML文件將生成的DLL文件配置到Workbench中，則應(yīng)用程序嵌入到ANSYS Workbench中?；诖隧?xiàng)技術(shù)研究如何將熱壓罐模具溫度場仿真中所用的組件進(jìn)行重新組合后，通過外部程序來固化仿真流程，在Workbench的起始界面嵌入新的流程模板。

Workbench框架支持在Window平臺上利用JavaScript或VBScript來開發(fā)應(yīng)用程序，對所有的應(yīng)用程序而言，它是一個(gè)基于HTML和XML的父級環(huán)境。在圖形用戶界面（GUI）中，用戶能夠根據(jù)需求激活并調(diào)用任意的腳本應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能?；诖隧?xiàng)技術(shù)對Workbench中的建模模塊（DM）和仿真模塊（DS）進(jìn)行二次開發(fā)，研發(fā)出針對熱壓罐成型模具溫度場仿真的建模模板和網(wǎng)格劃分模板。

3.2 二次開發(fā)的內(nèi)容

3.2.1 流程模板的開發(fā)

在Workbench的Addins文件夾中新建一個(gè)文件，用來存放之后編譯程序生成的DLL文件；進(jìn)入Workbench界面后，將仿真流程錄制成帶有.wbjn后綴的宏文件，利用外部程序編譯軟件Visual Studio編輯流程模板菜單，并加載流程宏文件；編譯成功后，將生成的帶有.dll后綴的文件復(fù)制在新建文件中，并將生成的帶有.xml后綴的文件復(fù)制到Configuration文件夾中；配置完成后重新啟動Workbench，流程模板菜單自動加載，點(diǎn)擊下拉菜單，工程視圖界面自動加載溫度場分析流程，如圖6所示。

圖6 流程模板Fig.6 Template of Process

3.2.2 建模模板的開發(fā)

DM模塊是面向參數(shù)化建模的工具，在此模塊中開發(fā)的建模模板，如圖7所示。包含自定義菜單模板和參數(shù)化模板兩部分。

利用XML在DM模塊的內(nèi)置菜單文件中添加自定義菜單名稱。利用HTML設(shè)計(jì)參數(shù)化模板的界面，并為模型的每個(gè)有效參數(shù)都設(shè)置一個(gè)id名。在開發(fā)的JS腳本程序中獲取每個(gè)id的值，利用數(shù)學(xué)關(guān)系定義模型草圖，并調(diào)用拉伸、陣列、布爾、新建平面等內(nèi)置的JS腳本命令函數(shù)來完成模型的建立。

利用XML編寫模型數(shù)據(jù)的保存和導(dǎo)入的功能，保證尺寸參數(shù)能夠自動進(jìn)行后臺保存，以方便下一次進(jìn)入DM模塊時(shí)模型數(shù)據(jù)直接加載，還可以通過創(chuàng)建的打開和保存按鈕進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和保存。

在DM模塊內(nèi)置的腳本文件夾中新建一個(gè)腳本文件，在此腳本文件中激活菜單模板的id值，并建立菜單模板與參數(shù)化模板的聯(lián)系，當(dāng)點(diǎn)擊下拉菜單時(shí)自動加載參數(shù)化模板界面。最后將此文件配置到DM模塊的config.xml文檔中，表示DM模塊開發(fā)的所有內(nèi)容都已經(jīng)嵌入其中。

參數(shù)化模板是針對典型的平面式框架式模具所開發(fā)的，如圖7所示。若設(shè)計(jì)一些曲面型的模具，如圖8所示。參數(shù)化及開發(fā)的思想都與平面型模具的相同，只是模具的有效參數(shù)有所不同。

圖7 建模模板Fig.7 Template of Modeling

圖8 曲面型框架式模具Fig.8 Curved Frame Mold

3.2.3 網(wǎng)格模板的開發(fā)

DS模塊是有限元分析的前后處理工具，Meshing屬于DS模塊中的一部分，在此界面中進(jìn)行網(wǎng)格模板的開發(fā)。模板界面，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)格模板Fig.9 Template of Meshing

網(wǎng)格模板與建模模板的開發(fā)思路相同，只是在DS模塊相應(yīng)的文件中進(jìn)行開發(fā)。通過調(diào)用內(nèi)置及外部開發(fā)的腳本文件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格模板的功能。

4 應(yīng)用算例

算例模型：采用由建模模板設(shè)計(jì)的長、寬、高分別為850mm，640mm，330mm的平面型框架式模具，模具材料為鋼；采用直徑為1000mm長度為1500mm的圓柱流體，流體材料為空氣；采用長、寬、厚度分別為710mm，500mm，10mm的復(fù)合材料。各結(jié)構(gòu)的材料屬性，如表1所示。

表1 材料屬性Tab.1 Properties of Materials

（1）風(fēng)速對模具溫度場的影響

入口處分別設(shè)置速度為2m/s、4m/s、6m/s、8m/s的流速和溫度曲線；出口處設(shè)置1×105Pa的大氣壓，如圖10（a）所示。

圖10 入口溫度曲線Fig.10 Temperature Curve of Inlet

通過模擬計(jì)算得到在不同的風(fēng)速下模具型面的最大溫差變化，如圖11所示。

圖11 不同風(fēng)速下模具型面最大溫差變化Fig.11 The Maximum Temperature Difference of Mold Surface under Different Wind Speed

（2）升溫速率對模具溫度場的影響

入口處流速4m/s不變，溫度曲線分別設(shè)置10（a）、10（b）；出口處設(shè)置1×105Pa的大氣壓。

通過模擬計(jì)算得到在不同的升溫速率下模具型面的最大溫差變化，如圖12所示。

圖12 不同升溫速率下模具型面最大溫差變化Fig.12 The Maximum Temperature Difference of Mold Surface under Different Heating Rate

分析計(jì)算結(jié)果，關(guān)于風(fēng)速及升溫速率對模具型面最大溫差的影響，得出如下結(jié)論：

（1）模具型面最大溫差隨著風(fēng)速的增大而減小，最大溫差的最大值出現(xiàn)在升溫階段結(jié)束時(shí)，最大溫差的最小值出現(xiàn)在保溫階段結(jié)束時(shí)。

（2）模具型面的最大溫差隨升溫速率的增大而增大。

5 結(jié)論

（1）對復(fù)合材料成型模具參數(shù)化建模的研究，很好的解決了手動建模速度慢、易出錯(cuò)的問題；

（2）對模具溫度場網(wǎng)格生成方法的研究，提高了溫度場網(wǎng)格劃分的效率及精度，也為其它流固耦合問題的研究提供了參考；

（3）復(fù)合材料等效的方法，為眾多流體仿真軟件無法模擬真實(shí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供一個(gè)解決方法；

（4）基于Workbench軟件平臺開發(fā)的模板，提高了復(fù)合材料成型模具溫度場仿真的效率，也為從事開發(fā)的設(shè)計(jì)人員提供了一定的參考；

（5）通過模擬風(fēng)速及升溫速率對模具溫度場的影響，得知適當(dāng)?shù)奶岣唢L(fēng)速和降低升溫速率都能夠改善模具溫度場的均勻性。