复合材料框架式成型中的模具设计研究.pdf

第 59 卷0引言复合材料具有高比刚度、高比强度、耐腐蚀及热膨胀系数小等优势，被广泛用于航空航天领域，其用量和应用水平是评估飞行器制作水平的一个重要标志1。作为飞机机体新一代结构材料，复合材料具有较高的产品制造质量要求。一般复合材料产品会在成型模具内制造，结构成型和材料制造两者同时完成，所以，模具对复合材料构建尺寸、外形及配合其他构件精度等具有决定性影响。为提升复合材料模具设计质量，很多研究者将模具设计融入到参数化设计、知识工程和模板化设计中。尽管在复合材料框架式模具设计时选择了数字化方式，然而，设计人员仍需要手绘草图与创建特征等工作，且还要对底板、支撑板等逐步建模，而且模具一般都较为笨重，没有校核模型温度分布与变形情况，模具设计精准性不足2。为优化以上状况，实现模具设计效率的提升，需要在设计环节考虑周全，避免模具影响复合材料制件，需要针对该框架式模具创建快速建模方法，并对模型实施有限元分析，依照分析结果调整优化模型，同时在模具设计过程中对回弹与尺寸加以补偿，以得到行之有效的模具结构设计。1结构分析复合材料框架式成型需要借助模具实现，有必要经加热和保温等一系列操作后，对复合材料固化成型，这就提高了对成型模具热传导性、温度场分布的要求。框架式成型模具有着轻便的结构，支撑板有很多散热通风孔，可提高传热效率，而且模具型面可快速加热，温度可均匀分布，因此被广泛用于飞机制造4。框架式成型模具主要由支撑结构、型面板组成，其中支撑结构又由底板、支撑板和叉车槽组成。框架式成型模具结构如图 1 所示。型面板表面主要接触预浸料，用于复合材料构件成型，其下表面贴合支撑板。通常将支撑板划分为外支撑板、内支撑板两种，根据特定布局表现为网格状结构，V 向与 U 向支撑板结合位置借助收稿日期：2023-07-13；修订日期：2023-08-15作者简介：李新荣（1984）,男，高级工程师，研究方向：材料成型及控制工程复合材料框架式成型中的模具设计研究李新荣，淑梅，王霞，万永（中车眉山车辆有限公司，四川眉山 620000）摘要：大尺寸复合材料零件制造中，会应用到框架式模具，为避免模具影响复合材料制件，需要针对该框架式模具创建快速建模方法，并对模型实施有限元分析，依照分析结果调整、优化模型，同时在模具设计过程中对回弹与尺寸加以补偿，以得到行之有效的模具结构设计，使模具结构更符合复合材料零件成型的精度要求，提升成型模具的精准化和高效性。关键词：框架式成型；复合材料；模具；有限元分析中图分类号：TG76文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2024.01.013文章编号：1006-9658（2024）01-0064-05第 59 卷 第 1 期Vol.59 No.1CHINA FOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY2024 年 1 月Jan.2024吊环型面板横向隔板通风孔底板脚轮纵向隔板图 1框架式成型模具64-第 1 期图 2创建超级副本图 3从选择实例化图 4知识工程工具栏卡槽连接，支撑板有散热孔与通风孔，有助于提升复合材料成型质量。2快速化建模方法当前设计者多选择 CATIA 软件设计模具模型，建模需要依照产品型面展开提取、延伸、接合、厚曲面和剪贴等操作，以制作模具型面板，再通过平面偏置、草图绘制、凸台和凹槽等操作形成连接型面板的隔板与隔板通风孔。因为隔板较多，绘制隔板工作量大，而且基本上属于重复性操作，所以更改难度大，会占用大量设计时间5。借助“产品智能模板”将建模时草图绘制、凹槽以及凸台等集合于一个命令中，并对其集中封装，具体见图 2。如果操作步骤相同，仅需在“从选择实例化”中引用命令集合就能完成操作，见图 3，该操作可有效避免通风孔与隔板绘制时重复操作的情况。在建模前期，借助图 4“知识工程”中的“公式”一栏命令定义所需调整参数，同时进行参数赋值，见图 5。后期仅需更改赋值，即可驱动调整参数值，也可借助定义公式，对变量间关系进行界定，从而实现一个变量根据另一变量改变而改变，最终达到参数变量化目标。该建模方法对支撑隔板厚度、纵横向支撑隔板数量、型面板厚度以及通风孔定位尺寸等参数实施变量化，同时快速设计，形成图 6 所示的 CA-TIA 模型树参与定义6。该情况下，在合理范围内更改参数数值，视图刷新，同时更改模型后，使其满足设计更改需求。综上，基于“超级副本”与“公式”的建模在很大程度上缩短了复合材料框架式模具建模时间，便于模具设计与更改，此为对模型展开有限元分析和设计的基础。3有限元模型分析图 5“公式”命令定义参数李新荣，等：复合材料框架式成型中的模具设计研究65-第 59 卷通常模具强度校核主要采用经验法，制定支撑隔板间距、厚度以及通风孔尺寸时，采用保守设计，例如，缩小隔板间距、增加隔板厚度，该方法可优化模具性能，然而，缺点在于会导致材料浪费，而且模具制造周期也比较长，由此就需要通过有限元分析法校核模具铺贴、吊装以及移动等工况下的变形情况，以明确模具设计是否可行。如果应力与变形允许，调整模型设计参数，确保模具在符合性能基础上缩减重量，节约加工与材料成本。尤其是对大尺寸梁类与蒙皮复合材料模具，框架式支撑结构为其主体，很多材料、焊接成本都会在该环节消耗掉，所以需要借助有限元分析对最佳支撑板结构布局和尺寸进行选择，在确保复合材料制件成型质量前提下，尽可能节约模具经济成本7。针对不同型号模型，选择 CATIA 分析其正常起吊、极限起吊、移动以及铺贴工况，选择 Q235 模具材料，各工况下的边界条件见表 1，两个模型应力与变形最大值见表 2。对比 1#模型，工况相同时的 2#模型应力和变形都比较小，两种模型都符合设计要求，但采用1#可减轻模具重量，缩减材料成本。通过热压罐固化时，对模具热变形与温度分布进行分析，选择CATIA 创建规格为 覬5.5 m13 m 的模型与 1.2m3.15 m0.585 m 的钢框架式模型，热压罐温度边界条件是时间函数，具体见图 78。经计算所提取不同时刻点的模具型面温度云图见图 8。选择 ABAQUS 计算工装模型变形时，所用模具材料为 Q235 钢，将初始温度设为 20，终极温度设为 180，模具脚轮处增加位移约束，计算出该温度差情况下的模具变形量，结果显示，模具变形最大值在四个边角位置，变形量是 3.3mm。由此可知，高温固化时，大尺寸钢材料模具变形量较大。工况边界条件极限起吊模具吊环位置增加固支约束，模具结构增加三倍重力且竖直向下加速度载荷正常起吊模具吊环位置增加固支约束，模具结构增加一倍重力且竖直向下加速度载荷移动模具脚轮位置增加固支约束，模具结构增加一倍重力且竖直向下加速度载荷铺贴模具底板位置增加固支约束，模具结构增加一倍重力且竖直向下加速度载荷表 1各工况下的边界条件表 2各工况下有限元分析分析结果工况正常起吊极限起吊移动铺贴1#模型最大变形/mm0.0540.1610.1060.128最大应力/MPa46.6139.345.885.72#模型最大变形/mm0.0380.1080.0550.067最大应力/MPa38.7116.133.857.1图 6CATIA 模型树参数定义时间/min圆园园员愿园员远园员源园员圆园员园园愿园远园源园圆园园缘园 员园园 员缘园 圆园园 圆缘园 猿园园 猿缘园 源园园 源缘园图 7热压罐温度边界条件66-第 1 期4模具设计补偿4.1尺寸补偿和公式模具材料和复合材料如果有不同热膨胀系数，则会影响复合材料制件固化后的外形与尺寸准确性，尺寸较小的模具热膨胀几乎不会影响到复合材料的零件，但如果模具尺寸太大，再加上复合材料零件存在重要的外形或装配特征时，需要考虑复合材料和模具材料热膨胀系数不同所产生的影响，设计模具过程中做好尺寸补偿工作。如果复合材料和模具材料热膨胀系数有差别，假设 A 是模具理论尺寸，B 是模具考虑设计补偿尺寸，吟T 是室温和固化温度差值，滓 是模具尺寸补偿系数，鬃A是复合材料热膨胀系数，鬃B是模具材料热膨胀系数。那么室温铺贴过程中，复合材料零件的净边尺寸是 A，型面零件净边线距离是B。高温固化温度的固化反应完成时，型面零件净边线 B 距离受热膨胀到（B+B伊吟T伊鬃B），而 A 受热膨胀到（A+A伊吟T伊鬃A），两者尺寸一致。在从固化温度下降到室温的情况下，模具型面上所刻的零件净边线距离从（B+B伊吟T伊鬃B）收缩到 B，而复合材料零件尺寸则从（A+A伊吟T伊鬃A）收缩到 A，具体如图 9 所示。由此计算：A+A伊吟T伊鬃A=B+B伊吟T伊鬃B，补偿系数为：滓=B/A=（1+吟T伊鬃A）/（1+吟T伊鬃B）复合材料制件形状复杂，装配要求高，制件过程中必须固化脱模并钻出切边或装配用基准孔的情况下，所选模具缩放基准直接影响到基准孔位置准确与否。4.2回弹变形和补偿大曲率复材筋条、蒙皮、梁等零件模具设计，应综合考虑到制件固化脱模所产生的回弹影响。通常来说，回弹和制件结构、成型工艺、模具材料和铺层角度等因素密切相关。在设计模具过程中，回弹补偿会缩减制件固化变形，减少装配应力，但又很难明确补偿系数。制作筋条、梁、肋等复合材料时，回弹补偿是在设计模具过程中加入回弹量，例如 C 形梁，模具设计过程为：（1）产品结构分析，基于此截取典型部段作为试验件，以设计和制作模具，该情况下的模具设计无需考虑回弹影响；（2）制造试验件；（3）检测试验件和模具，依照检测结果，对模具和试验件角度差值进行计算，此为回弹角；（4）根据回弹角度，设计正式模具。室温铺贴时高温固化时固化完毕冷却至室温时A+A伊吟T伊追AAABBBB+B伊吟T伊追B模具模具模具图 9模具尺寸补偿原理时间点温度云图（K）150 min（升温结束）最大温差：14.6 益180 min（保温 0.5 h）最大温差：5.9 益210 min（保温 1 h）最大温差：1.3 益300 min（升温结束）最大温差：0 益330 min（降温 0.5 h）最大温差：4.6 益气流方向气流方向气流方向气流方向气流方向图 8模具型面温度云图李新荣，等：复合材料框架式成型中的模具设计研究67-第 59 卷基于试验件制造经验，热压罐阳模成型工艺制作的 C 形梁结构，根据图 10 所示回弹方向设计模具，而阴模成型 C 形梁结构则根据图 11 所示回弹方向设计。一般 C 形梁各部位铺层有所差异，C 形翻边位置角度也会有所改变，因此各部位回弹角度值也不相同，由此设计人员就要依照工艺试验件，与实际相结合，对回弹补偿加以综合考虑。复合材料中的变曲率蒙皮，当前仍就采用试验件制造方式明确回弹量与回弹方向，因为不同位置的回弹量大小有所差异，因此要获得各位置回弹量，设计模具时在理论型面不同位置展开不同量补偿，补偿后制定模具型面难度较大。有学者创建以构建型面节点为基础的工装型面补偿模型，借助新构件型面对新工装型面进行设计，并展开变形预测，这一方法在我国很多主机厂工装系统中有所应用。5结语当前多以普通钢为模具材料，高温固化温度下，该模具尺寸具有较差稳定性，所成型零件外形、尺寸和预期设定存在差异性，因此对外形特征复杂、尺寸大且具有较高精度要求的复合材料，例如，制备中央翼盒、机翼壁板等，需要采用接近复合材料膨胀系数的工装材料展开模具结构设计，从而降低模具对制件固化产生的影响。因为飞机复合材料外形大多是不规则曲面，模具设计过程中，补偿制件固化变形对有限元分析比较依赖，由此就要在制造模具前，通过有限元分析软件模拟模具数值，检验模具设计，以节约试模和返修时间，实现劳动生产率的提升。参考文献：1邢丽英,李亚锋,陈祥宝.先进复合材料在航空装备发展中的地位与作用J.复合材料学报,2022,39(9):8.2汪敏,徐鹏,高龙飞,等.热压罐成型工艺典型框架式工装热分布与变形模拟J.复合材料科学与工程,2021(06):88-93.3海宇,周来水,安鲁陵.复合材料热压罐固化框架式成型模具的参数化设计J.航空制造技术,2023,66(Z1):84-91.4孙朝海,黄炎,杨康,等.工装模具对复合材料件固化变形影响的有限元分析J.材料导报,2021,35(S1):607-612.5海宇.复合材料框架式成型模具的参数化设计及轻量化技术研究D.南京：南京航空航天大学,2021.6张杰.框架式复合材料成型模具优化设计研究D.南京：南京航空航天大学,2019.7赵一鸣.复合材料构件热压罐成型模具温度场模拟与结构改进研究D.南京：南京航空航天大学,2018.8夏朋昭,许莹,赵思坛,等.Ti-Mg 复合材料制备技术研究进展J.钛工业进展,2021,038(003):41-48.产品铺层回弹角 琢产品理论面模具设计基准面图 10阳模成型 C 形梁回弹方向模具设计基准面产品铺层回弹角 琢产品理论面图 11阴模成型 C 形梁回弹方向68-第 1 期奥氏体钢在锅炉管件精密铸造中被广泛运用，显示出了较强的运用价值，为了降低 CO2等气体的排放，应当加强对铸造工艺的研究，加强对现有化石能源的有效开发与利用。在铸造工艺中，随着超临界水温的提升，650耀700 益以上高温条件下的耐热奥氏体钢结构材料具有较强的研究价值，耐热奥氏体钢具有耐腐蚀、抗蠕变性能良好的运用优势1。因此当前铸造工艺中不断加强对奥氏体钢高温强度与耐腐蚀性的研究。即有研究成果中，在高温超细沉淀强化钢中，适当冷加工有利于促进纳米级 MC 碳化物析出，对 AFA 钢进行固溶之后，进行冷轧退火，能够促进 Laves 相沉淀物的析出。本文对精密铸造锅炉管件用耐热奥氏体钢的相关性能进行研究与探讨。1 工艺研究选取两类典型焊接接头进行分析，分别是超临界锅炉受热面部件径管 SA-213S30432，超超临界 锅 炉 受 热 面 部 件 径 管 SA-213T91+SA-收稿日期：2023-07-13；修订日期：2023-08-11作者简介：杨冠锋（1978），男，工程师，主要研究方向：特种设备检验检测、技术检查精密铸造锅炉管件用耐热奥氏体钢的研究杨冠锋（河北省特种设备技术检查中心，河北石家庄 056011）摘要：为了优化耐热奥氏体钢在锅炉管件精密铸造中的工艺，选取典型焊接接头进行分析，预热温度逸5 益，电压 13耀14V，焊层数 3 层，电流 190耀200 A，层间温度 50耀230 益。结果显示，600耀1200 益温度环境下，AFA25-15 为单相奥氏体基体，析出相为 NiAl、滓 相、M23C6、MC 碳化物。通过适当冷变形处理之后，强度明显提升，AFA-50%与 AFA-20%抗拉强度均有所降低，断后伸长率变动差异表现不明显。材料氧化腐蚀程度与温度呈正比关系，S31042 材料抗氧化腐蚀能力最强，S31035与 C-HRA-5 材料抗氧化腐蚀能力基本相当。通过本文的研究与探讨，有利于改善锅炉管件用耐热奥氏体钢的综合性能，提升拉伸性能。关键词：精密铸造；锅炉管件；耐热奥氏体钢；冷变形处理；抗拉强度中图分类号：TG142.73文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2024.01.014文章编号：1006-9658（2024）01-0069-05第 59 卷 第 1 期Vol.59 No.1CHINA FOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY2024 年 1 月Jan.2024Research on mold design in composite frame moldingLI Xinrong,SHU Mei,WANG Xia,WAN Yong（CRRC Meishan Vehicle Co.,Ltd.,Meishan 620000,Sichuan China）Abstract:Abstract:In order to avoid the mold from affecting the composite parts,it is necessary to createa rapid modeling method for the frame mold,and implement finite element analysis on the model,adjustand optimize the model according to the analysis results,and compensate for the springback and size inthe mold design process,so as to obtain an effective mold structure design,ensure the molding accuracyrequirements of composite parts,and improve the accuracy and efficiency of the molding mold.Key words:Frame molding;Composite materials;Molds;Finite element analysis69-