复合材料热压罐成型模具变形补偿方法研究.pdf

工艺装备 年第 期高科技纤维与应用复合材料热压罐成型模具变形补偿方法研究张正礼(上海飞机设计研究院 上海)摘 要:针对复合材料构件在热压罐工艺成型后产生型面偏差较大的问题 结合复合材料构件成型模具设计特点和热应力分析理论 使用有限元分析方法分析在复合材料构件成型过程中模具型面的变形情况 根据获取的变形情况与复合材料构件设计型面进行比较获得模具变形补偿量 通过多次迭代最终获取满足复合材料构件型面公差要求的模具补偿量 最后通过具体的实例分析验证了方法的可行性 研究表明:本文所获取的复合材料构件成型模具变形补偿方法可以用于指导模具设计 避免通过多次试制来修配模具 可节省大量试验件制造成本关键词:复合材料 热压罐 有限元 模具中图分类号:文献标识码:文章编号:()作者简介:张正礼()高级工程师 主要从事民用飞机结构设计与强度分析 电子邮箱:():工艺装备 高科技纤维与应用 年第 期 引言复合材料科学与工程技术经过半个世纪的积累和发展 凭借其优异的综合性能在提高各类结构效率方面发挥了举足轻重的作用 尤其是碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量及稳定性好等优点 已被广泛应用于航空航天领域 复合材料构件的制造工艺有很多种 如手糊铺设成型、袋压成型、模压成型、热压罐成型、注射模塑成型、缠绕成型和拉挤成型 对于大尺寸、外形复杂的航空航天纤维增强复合材料构件 如飞机的蒙皮、梁、肋和框等 主要采用热压罐工艺制造 而这些外形复杂的构件由于外形精度要求比较高 对于模具的设计技术要求也很高 尤其是对于诸如蒙皮、壁板等薄壁结构 起模后通常会发生反弹 导致成品外形超差严重为解决以上问题 利用数值分析方法研究复合材料热压罐成型过程中构件变形情况 以此来研究模具变形补偿方法 这为复合材料模具设计提供可行方法 以避免通过大量试制来调整模具设计 从而可降低成本 提高生产效率 热压罐成型工艺 成型工序使用热压罐成型工艺制造复合材料构件包括如下工序:()准备过程:工具和材料准备()材料铺贴:裁切、铺层和压实()固化准备:磨具清洗、坯件装袋以及在某些情况下坯件的转移等()固化:坯件流动压实和化学固化反应过程()检测:目测、超声等无损检测()修整:切除多余部分 制成成品 不合格分析其中固化过程是主要工艺过程 通过热压罐对成型模具和构件坯件进行加压加热 通过一段时间保持使坯件完成固化 形成构件 但是在实践中会发现复合材料构件制成后会产生翘曲变形主要原因如下:()由于金属成型模具与复合材料之间的材料热膨胀系数不一致 在热压罐内成型过程中对构件进行加压加热后 就会在模具和复合材料之间产生剪切应力 模具承受压应力而构件承受拉应力 从而在构件内部形成残余应力 构件脱模后残余应力释放之后会造成构件变形()由于热量传递不同步 导致模具型面和模具底部存在一定的温度差 同时由于框架式模具刚度较小 在高温和高压环境下会产生变形这将导致构件制成后产生与预期设计的变形偏差 复合材料构件模具设计复合材料构件模具的型面是根据构件设计模型来确定的 最终制成件的外形轮廓与模具型面直接相关 传统的模具设计方法是依据构件的设计模型 通过提出构件的轮廓面作为模具的型面依据提出的型面完成模具设计 这种设计方法忽略了模具在高温下会发生膨胀变形 导致构件成型后外形轮廓偏差较大 在实践中 通常通过大量的试制分析出构件变形的规律 然后再根据分析数据对模具进行修整 这样必然增加制造成本而且效率也较低采用试制法修配模具的方法其实就是通过调整模具型面提供一个补偿 使制件残余应力释放后刚好达到设计要求 而补偿量大小需要开展精确分析 可以利用数值分析的手段通过大量迭代获取精确的补偿量 图 给出了每次迭代后模具设计型面与构件设计型面之间的误差示意图 为考虑变形后得模具型面 为构件设计型面 为 与 误差值 假设第 次修正的模具型面 工艺装备 年第 期高科技纤维与应用 对模具进行热膨胀分析 预测再固化温度下模具的型面形状 计算固化温度下模具设计型面与构件设计型面 之间的误差 误差是由模具设计型面 离散后的各节点与经过理算的设计型面 上对应的节点距离值向型面 上此节点法线方向投影得到的成型误差 判断是否满足成型精度要求 如满足则停止迭代 不满足则继续迭代 迭代流程图如图 所示LS%LS5AE图 成型误差示意图:/0#LLA0A$B8LA L图 迭代流程图 热应力分析基本理论假设物体内部存在的温差分布 ()由温差引起的膨胀量为()为热膨胀系数 则物理方程变为:()()()()将上式写成指标形式为:()()式中:由式()可得到热应力问题的虚功方程:()()离散为 个节点 可设单元节点的位移为:()则单元中的位移、应变和应力可表示为节点位移的函数:()()()式中 分别为单元的形状函数矩阵、应变矩阵、弹性系数矩阵和应力矩阵对式()和()变分可得:()()将单元位移、单元应变以及变分所得到虚位移和虚应变代入式()中可得:()式中 为温度得等效载荷 工艺装备 高科技纤维与应用 年第 期 飞机机身蒙皮模具设计 模具结构某型飞机机身蒙皮采用碳纤维复合材料(级)单层厚度为 材料参数为:机身蒙皮型面复杂(图)要求精度较高 轮廓度为 机身蒙皮铺层共计 层 铺层信息为 成型模具如图 所示 模具和支撑结构焊接在一起 飞机蒙皮外形质量要求较高 故成型模具一般采用阴模形式构件成型工装的模具材料为殷钢 支撑结构由普通碳钢制成 殷钢由于其低膨胀性能 越来越多地被应用于复合材料制件模具的制作中 图 机身蒙皮图 成型模具 模具分析与修正把图 所示的机身蒙皮成型模具导入有限元分析软件中生成有限元模型 如图 所示 由于都是薄壁结构 故均采用壳单元 殷钢和碳钢的材料参数见表 施加的载荷为温度场和均布压力 其中 温度场的升温速率为 /在 保温 图 有限元模型表 模具材料参数材料参数殷钢碳钢弹性模量/泊松比 热膨胀系数/比热/()热传导率/()提交有限元求解器计算分析后 可以得到模型变形后节点位移云图 提取成型模具中间截面的若干节点 如图 所示 由于模具型面左右对称 故只取了右侧几个节点进行观察 其中 点位于模具最低点 也是模具型面的对称点上 点和 点分布在型面的坡区 点为构件型面的边沿 图 给出了各观察点随温度变化的变形情况 从图 中可以看出 随着温度的升高 模具型面会发生较大的变形 在复合材料构件保形过 工艺装备 年第 期高科技纤维与应用程中 其构件形状与变形后模具保持一致 必然导致成型后构件的型面与设计型面产生差异ABCD图 观察点分布#$%#N N图 变形随温度的变化根据提取型面上尽可能多的点 计算出各个点的变形量 获得模具变形后与设计型面的误差值 判断该误差值能否满足精度要求 第一次求解后 由于模具还未被进行补偿 其变形误差为 远大于设计公差要求 对模具修正后继续迭代 经过 次迭代后 变形后的模具与设计型面的误差值为 小于设计公差要求 结束迭代 整个迭代过程耗时 远远小于通过不停地生产试验件来修配模具所耗的时间 可以节省大量成本 经济效益非常可观 结论通过以上研究可以发现:在复合材料成型过程中 模具的型面会随着温度的升高产生变形必须通过修配模具型面进行补偿才能获得精确轮廓的构件 利用有限元分析方法可以通过多次迭代快速获取模具的补偿量 可用来指导模具设计避免通过多次试制来修配模具 可节省大量试验件制造成本参考文献 王永贵梁宪珠 复合材料整体结构与整体成形技术 第十六界全国复合材料学术会议 王惠芬杨碧琦刘刚 航天器结构材料的应用现状与未来展望 材料导报(增刊):()刘雄亚 谢怀勤 复合材料工艺及设备 武汉:武汉工业出版社 黄家康 岳红军 董永棋 复合材料成型技术 北京:化学工业出版社 先进复合材料制造技术 李宏远 译 北京:化学工业出版社:李细锋 陈楠楠 李佼佼 等 温度与应变速率对 合金变形行为的影响 金属学报 ():杨博 李宏 曹正华 殷钢在复合材料成形模具中的应用 玻璃钢/复合材料():