復合材料帶曲率C型梁熱隔膜預成型試驗與仿真分析

亞紀軒 葉亮 丁惢 劉傳軍

摘 要 隨著復合材料自動鋪帶和鋪絲技術的成熟，并且廣泛應用于復合材料結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)與制造。通過與鋪帶或鋪絲技術相結(jié)合使得復合材料熱隔膜預成型技術成為制作L型、C型，Z型等細長零件的重要手段，此種方式可以減少大量的人工操作，并且能夠用于實現(xiàn)自動化工業(yè)生產(chǎn)。復合材料熱隔膜預成型是一個使預浸料疊層變形的復雜過程，本文對帶曲率C型梁的預成型過程進行仿真分析，首先通過試驗得到預浸料鋪層間摩擦系數(shù)，然后對濕態(tài)預浸料的力學性能進行測試。利用測試得到參數(shù)，采用有限元方法對C型梁預成型過程中鋪層間的滑移進行模擬得到了鋪層變形后的褶皺缺陷。通過專用的熱隔膜成型設備對C型梁預成型進行試驗研究，將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析，驗證了預成型仿真手段的可行性，為后續(xù)熱隔膜預成型過程中的參數(shù)優(yōu)化提供指導。

關鍵詞 復合材料；熱隔膜預成型；有限元仿真分析；褶皺；層間滑移

Experiment and Simulation Analysis of Hot

Diaphragm Forming about Composite

C-Beam with Curvature

YA Jixuan， YE Liang， DING Suo， LIU Chuanjun

（CNBM （Shanghai） Aviation Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200126）

ABSTRACT With the maturity of composite material automatic tape laying （ATL） and automatic fiber placement （AFP）， it is widely used in the production and manufacture of composite structure. Combining with ATL or AFP method， hot diaphragm forming （HDF） has become an important means of making L， C， Z and other slender structures. This method can reduce lots of manual operations and can be used for automatic industrial production. The HDF is a complex deformation process. In this paper， the simulation of the forming process of the C-beam with curvature is carried out. Firstly， the friction coefficient between the plies is obtained through the test， and then the mechanical properties of the wet prepreg are tested. The interlayer slipping during the forming process is simulated to obtain the wrinkle defects after the deformation of the composite plies. Experimental research on C-beam preforming is carried out with special thermal diaphragm forming equipment， and the experiment results were compared with simulation results to verify the feasibility of the preforming simulation method and provide guidance for parameter optimization in the subsequent HDF process.

KEYWORDS composite material; hot diaphragm forming; finite element simulation; wrinkle; interlayer slipping

1 引言

復合材料具有高剛度比，高強度比和耐腐蝕性等優(yōu)異性能，在航空航天等領域得到了廣泛的應用［1］。然而，復合材料部件的制造過程通常復雜且耗時，為應對這一挑戰(zhàn)，熱隔膜預成型（HDF）技術逐漸得以推廣應用，該技術能夠以高精度和高效率生產(chǎn)復雜形狀的復合材料零件［2］。HDF工藝首先加熱預浸料疊層，然后通過隔膜對預浸料疊層施加壓力將其成型為所需的形狀［3］。王立冬［4-6］通過試驗研究了碳纖維預浸料層間滑移特性，并且建立了熱隔膜預成型過程的有限元模型并與試驗結(jié)果進行了對比分析。靳曉博［7］對碳纖維復合材料平直C型梁的熱隔膜成型過程進行試驗與仿真模擬。陳超等［8］對熱隔膜預成型的原理進行分析，并探討了自動鋪放與熱隔膜預成型組合制造工藝的工程化應用特性。元振毅［9］等對制件熱隔膜預成型過程中的層間滑移情況及固化后的回彈變形進行了相關的研究。趙月青［10-12］對熱隔膜預成型過程中層間的摩擦以及面內(nèi)剪切變形特性進行了分析。在本文中，對帶曲率C型復合材料梁結(jié)構(gòu)的熱隔膜預成型的模擬和試驗進行研究。首先通過測試獲得熱隔膜預成型仿真模型的相關參數(shù)。然后，采用有限元方法建模對HDF過程進行仿真模擬，并與試驗結(jié)果進行對比分析，驗證了熱隔膜預成型仿真模型的準確性。

2 熱隔膜預成型參數(shù)試驗

2.1 預浸料濕態(tài)力學性能測試

本文中使用的碳纖維預浸料牌號為Hexcel的M21C，使用數(shù)字圖像相關（DIC）設備對濕態(tài)預浸料的力學性能進行測試。本試驗通過偏軸拉伸的試驗方法獲得預浸料的纖維方向的模量E1，橫向模量E2，剪切模量G12。參考GB/T32788.4-2016標準，將預浸料按照標準切割成所需的尺寸。纖維與加載方向夾角10°，噴涂黑白漆制備散斑，如圖1所示。

試驗機設備型號為Instron5966，將樣品安裝在測試夾具上，如圖2所示。DIC的測試條件為相機像素：4000pixel×3000pixel，視場：36.6mm×49.9mm，光源：白光光源，標距段：35mm。

由于熱隔膜預成型過程中預浸料疊層的溫度為60℃，所以在加載前將保溫箱的溫度穩(wěn)定在60℃，然后加載。DIC設備由高分辨率相機和圖像處理軟件組成，在試樣變形過程中捕獲試樣的圖像，跟蹤樣品的運動，樣品的變形由DIC設備監(jiān)測和記錄。通過對DIC設備捕獲的圖像進行后處理，確定樣品的應變，進一步獲得預浸料的力學性能，試驗流程如圖3所示，試驗過程中，DIC設備拍攝的應變?nèi)珗鰣D如圖4所示。

σx通過試驗機載荷與試驗件的截面積相除得到，根據(jù)公式（1）得到σ1，σT，τLT根據(jù)試驗DIC應變場能夠直接得到εx，εy，γxy，根據(jù)公式（2），可以得出ε1，εT，γLT從而得出E1，E2，G12。

σL=cos2θ·σx

σT=sin2θ·σx

τLT=-cosθ·sinθ·σx（1）

γLT=-2cosθ·sinθ·εx+2cosθ·sinθ·εy+（cos2θ-sin2θ）·γxy

εL=εxcos2α+εysin2α-γxysinαcosα

εT=（εx-εy）sin2α+γxycos2α（2）

共進行三組試驗，對試驗結(jié)果處理后，濕態(tài)預浸料力學性能的平均值如表1所示。

2.2 預浸料層間摩擦系數(shù)測試

預浸料層間摩擦系數(shù)的測試目的是為了得到預浸料在熱隔膜預成型過程中，預浸料層間滑移的特性。本文通過特制的試驗夾具對預浸料層間的摩擦系數(shù)進行測量，試驗夾具示意圖如圖5所示。利用彈簧壓縮對預浸料施加載荷，同時利用加熱片對預浸料進行加熱。硅橡膠加熱片通過控溫箱來調(diào)節(jié)溫度，巡檢儀用來監(jiān)測預浸料實時溫度。在測試壓力為0.093MPa的條件下，測試預浸料在60℃下的摩擦滑移特性。

將待測試預浸料按纖維0°方向裁切，尺寸分別為370mm×35mm、190mm×35mm。以370mm×35mm試樣為U型層，190mm×35mm試樣為內(nèi)層，按照圖6所示進行貼合；將試樣夾持在模具當中，以螺栓固定試樣下底部分，上端使用拉力機夾頭夾緊；通過彈簧向模具施加固定壓力，壓力為0.09MPa，如圖6所示；溫度設置為60℃，以控溫箱控制試樣溫度，巡檢儀監(jiān)測試樣溫度；待溫度穩(wěn)定后開始拉伸測試，測試速率為1mm/min。

試驗結(jié)果載荷位移曲線如圖7所示，曲線分為三個階段，第一階段為線性階段，載荷隨著位移的變化線性增加；第二階段為“屈服”階段，載荷隨位移變化增加的斜率逐漸減?。坏谌A段為穩(wěn)定階段，載荷隨著位移的變化緩慢的增加。

3 C型梁熱隔膜預成型試驗

本文中選用的C型梁長度為1m，曲率半徑不是常數(shù)，最小的曲率半徑為7399.4mm，逐漸增大到10605.1mm，如圖8所示。試驗件腹板面寬度140mm，兩側(cè)緣條高度為30mm，腹板與緣間的R角半徑為7mm。

C型梁熱隔膜預成型試驗使用的是Fill廠家的熱隔膜預成型設備，首先通過鋪絲機完成扇形預浸料疊層的制作，鋪層的順序為［45/-45/02/90/02/45/-45］s共計18層，每層厚度為0.187mm；然后再利用激光投影對疊層進行定位孔的加工，防止疊層在預成型過程中發(fā)生整體的滑動；將疊層轉(zhuǎn)移到模具上，并使用銷釘將疊層上的定位孔與模具上的定位孔進行定位，再把無孔隔離膜放在疊層上，降低隔膜與疊層之間的摩擦，過程如圖9所示。

將預浸料疊層與模具放在熱隔膜設備的平臺上，然后對熱隔膜設備中設置抽真空的步驟以及加溫程序，如圖10（a）所示，首先是升溫階段，以5℃/min的速率將隔膜上溫度增加到65℃，保溫40min（此時料片處熱電偶監(jiān)測得到溫度為60℃），保溫到25min時，先以0.02KPa/s的速度慢速抽真空至-17KPa，然后以-10KPa速率快速抽真空至-93KPa，然后保持真空，保溫40min結(jié)束后，對隔膜降溫，降溫過程中保持真空，溫度降低至40℃時，真空逐漸進行釋放，試驗過程中隔膜的變形如圖10（b）所示。

試驗設備設定的程序結(jié)束后，將模具從試驗臺上推出，試驗件如圖11（a）所示，將隔離膜從變形后的預浸料片上拿下，C型梁外側(cè)緣條（曲率半徑大）處發(fā)現(xiàn)多處褶皺，如圖11（b）中緣條處的白色線標記；在C型梁內(nèi)側(cè)緣條（曲率半徑小）處無褶皺，C型梁腹板平面上無褶皺。由于扇形預浸料疊層在向下彎折的過程中，內(nèi)外兩側(cè)緣條的受力狀態(tài)是不一樣的，內(nèi)側(cè)緣條處預浸料疊層在彎折的過程中是受拉伸，外側(cè)緣條處預浸料疊層在彎折的過程中是受壓縮，導致材料的堆積，從而形成褶皺。

4 C型梁熱隔膜預成型仿真

C型梁的預成型仿真根據(jù)試驗件模型以及試驗參數(shù)進行模型的建模。預浸料的本構(gòu)模型采用正交各向異性材料本構(gòu)，使用工程常數(shù)進行定義，使用的參數(shù)如2.1節(jié)中描述；預浸料層間的滑移模型采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)等于載荷除以接觸面積與壓力的乘積，根據(jù)2.2中數(shù)據(jù)處理得到不同滑移距離下的摩擦系數(shù)，然后作為仿真模型的輸入；熱隔膜采用超彈性材料本構(gòu)；模具與熱隔膜平臺采用剛體屬性。模具與平臺的網(wǎng)格大小選用4mm，預浸料的網(wǎng)格大小為2mm，如圖12所示。模具與平臺采用固支約束，約束所有自由度，在預成型料片對應銷釘定位位置處的節(jié)點采用固支約束，如圖13所示，仿真過程中采用多載荷步加載，隔膜上的壓力與升溫過程與試驗保證一致。

仿真計算完成后，預浸料的變形結(jié)果圖14所示，C型梁腹板與內(nèi)側(cè)緣條處沒有產(chǎn)生褶皺缺陷，C型梁外側(cè)緣條處會生成褶皺。將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，試驗件的褶皺位置并不能與仿真結(jié)果完全對應上，試驗結(jié)果中包含8個褶皺，仿真結(jié)果中包含12個褶皺，仿真結(jié)果中的4個褶皺位置能夠與試驗結(jié)果對應上，如圖15所示。

預浸料疊層在滑移的過程中，在緣條的邊緣會產(chǎn)生一個斜坡，如圖16中α所示。取仿真結(jié)果的一個剖面對結(jié)果進行處理，得到在內(nèi)緣條處的斜坡的角度為32.0°，外緣條處的斜坡角度為33.6°，如圖17所示。由于試驗件是由鋪絲扇形板直接進行的熱隔膜試驗，沒有切割到凈尺寸，所以無法得到對應的斜坡角度的試驗結(jié)果。此角度的理論結(jié)果可以通過在三維軟件中作圖得出，首先做平面與C型梁內(nèi)型面做交線，然后將交線向厚度方向偏置3.366（0.187×18）mm，然后將偏置線兩端修剪到與交線的長度，然后測量線端點連線與緣條直線的夾角，內(nèi)緣條側(cè)夾角為31.6°，外緣條側(cè)夾角為33.3°，如圖18所示，與仿真結(jié)果的偏差分別為1.2%，0.9%。

5 結(jié)語

本文首先進行了預浸料力學性能試驗與預浸料鋪層之間的摩擦系數(shù)試驗；然后將試驗得到力學性能參數(shù)與摩擦系數(shù)應用于C型梁熱隔膜預成型仿真模型的建模；最后將C型梁熱隔膜預成型仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，仿真結(jié)果模擬出在C型梁外側(cè)緣條處形成褶皺，但是褶皺的具體位置并不能夠預測的完全對應，由于預浸料疊層滑移產(chǎn)生的斜坡，仿真與試驗結(jié)果對比角度偏差在2%以內(nèi)。通過熱隔膜預成型仿真手段用于在零件設計階段使用熱隔膜預成型方式的可制造性評估，從而對零件的可制造性提供指導是可行的。后續(xù)將對熱隔膜預成型試驗參數(shù)進行進一步的優(yōu)化，探索預成型參數(shù)對于零件預成型褶皺缺陷的影響。

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