熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件的變形預(yù)測與應(yīng)用研究

袁鐵軍 周來水 葛友華

(①鹽城工學(xué)院機械學(xué)院，江蘇鹽城 224051;②南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016)

先進復(fù)合材料誕生于20世紀(jì)60年代末，因其具有高比強度、高比模量、耐熱、耐腐蝕、耐疲勞、隱身性好等獨特性能而在航空、航天、汽車、兵器、電子、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的研究水平和應(yīng)用程度是一個國家科技發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，尤其在航空工業(yè)，各種先進的飛機無不與先進的復(fù)合材料技術(shù)緊密聯(lián)系在一起，是一項具有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵技術(shù)［1－2］。

熱壓罐固化成型是航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件傳統(tǒng)的制造工藝，由于復(fù)合材料構(gòu)件的整體尺寸越來越大，所需的熱壓罐尺寸跟著加大，成本問題也隨之突出，特別是制造成本，這是制約它進一步擴大應(yīng)用的主要障礙之一。以美國為首的西方發(fā)達國家紛紛制訂低成本復(fù)合材料發(fā)展研究計劃，不斷完善復(fù)合材料層壓板真空袋—熱壓罐制造工藝，開發(fā)高性能、低成本的復(fù)合材料制造技術(shù)，并已取得較大進展［3－4］。降低復(fù)合材料構(gòu)件制造成本的方法有很多，其中預(yù)測熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件的變形，并采取相應(yīng)的措施做適當(dāng)補償，從而以較短的周期，較低的成本加工出高形狀精度的構(gòu)件，就可減少后續(xù)修補、切削、裝配等工作量，就可以大大降低復(fù)合材料構(gòu)件制造成本，如果能夠很好地控制復(fù)合材料構(gòu)件成型的幾何變形，使得構(gòu)件的形狀誤差較小，具有較好的互換性，這對飛機低成本高效率的維護有很大的意義。

本文將從熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件變形的種類及影響變形的各種因素入手，介紹變形預(yù)測的理論模型、求解模型的算法、研究對象，并探討未來變形預(yù)測發(fā)展及其應(yīng)用的趨勢。

1 影響構(gòu)件成型變形的因素

復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐固化變形可分為3類:熱膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致的變形、化學(xué)收縮變形、由模具與構(gòu)件相互作用導(dǎo)致的變形［5］。

J.Magnus.Svanberg認(rèn)為影響變形的具體因素如表1所示［6］。岳廣全等人通過數(shù)值模擬預(yù)測和實驗分析，認(rèn)為模具的翹曲變形對構(gòu)件的固化成型有影響［7］。李軍等人認(rèn)為構(gòu)件合適的幾何參數(shù)可以減小翹曲變形［8］。X.Zeng等人認(rèn)為工裝支撐架、樹脂的流動和固化影響構(gòu)件的變形，考慮這些因素會使得預(yù)測更準(zhǔn)確。氣孔含量的增加會降低復(fù)合材料的層間剪切強度，纖維體積分?jǐn)?shù)的變化影響材料的彈性性能和熱性能，會導(dǎo)致應(yīng)力分布的梯度，進而產(chǎn)生工件變形。纖維體積分?jǐn)?shù)的梯度分布，這種不均勻性尤其是在厚度方向上的對殘余應(yīng)力和變形的影響更大［9］。李桂東認(rèn)為工裝支撐結(jié)構(gòu)中的通風(fēng)口，對熱壓罐空氣循環(huán)系統(tǒng)中，空氣的流動影響較大，若工裝支撐結(jié)構(gòu)中，通風(fēng)口開口方向和大小不合理，將影響工裝模板表面的受熱均勻性，這也是影響復(fù)合材料構(gòu)件的成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一［10］。Twigg等人通過研究模具與構(gòu)件的相互作用發(fā)現(xiàn)構(gòu)件幾何形狀對固化變形產(chǎn)生很大的影響［11－12］。總的來說，影響構(gòu)件成型變形的因素很多，大部分已經(jīng)在研究時被考慮到，但仍然有些因素對預(yù)測結(jié)果有影響，由于各種原因還沒有被充分研究，比如工裝結(jié)構(gòu)對構(gòu)件變形的影響。

表1 影響形狀變形和殘余應(yīng)力的因素

2 變形預(yù)測方法

Johnston A提出了固化硬化瞬間線彈性基本模型來預(yù)測復(fù)合材料構(gòu)件加工導(dǎo)致的變形，并使有限元軟件包COMPRO能以非常合適的計算資源對大型復(fù)雜構(gòu)件進行檢查［13］，具體流程原理如圖 1。J.M.Svanberg針對回彈現(xiàn)象指出固化過程對回彈的影響，要建立精確地預(yù)測復(fù)合材料構(gòu)件變形的模型，必須考慮樹脂不同狀態(tài)時的熱膨脹系數(shù)、化學(xué)收縮率以及固化結(jié)束后的殘余應(yīng)力。用綜合考慮了這些因素建立的路徑依賴的線粘彈性力的基本模型來預(yù)測構(gòu)件的變形，與傳統(tǒng)的粘彈性模型、基于通用有限元軟件ABAQUS編寫的專門用戶子程序相比，計算時間大大減少［6］。G.FERNLUND等人提出基于有限元的結(jié)合二維平面模型和三維彈性殼模型來預(yù)測復(fù)合材料成型構(gòu)件的變形量，按照以下6步來實現(xiàn)計算:①選擇三維結(jié)構(gòu)中合適的二維結(jié)構(gòu);②創(chuàng)建并運行二維結(jié)構(gòu)的處理模型;③研究并驗證二維模型的預(yù)測變形;④創(chuàng)建構(gòu)件的三維模型;⑤分離三維模型的橫截面并與變形匹配;⑥三維較好作用分析。該方法能較好預(yù)測復(fù)雜殼結(jié)構(gòu)構(gòu)件熱壓罐成型導(dǎo)致的變形，與三維處理模型相比，保留了三維模型的高精度也能用較少的時間來計算復(fù)雜大型構(gòu)件［14］。S.Clifford等人建立了基于通用有限元軟件ABAQUS編寫的殼單元與實體單元相接合的各向異性的粘彈性模型，計算精度和可模擬零件的尺寸大小的矛盾得到了很好地解決，該模型可用于大型薄壁帶三維形狀、任何堆疊方式、熱粘彈性組織的構(gòu)件，但與實驗結(jié)果相比該模型預(yù)測的數(shù)值偏高［15］。Abdul Rahim Ahamed Arafath等人提出閉式解決方案來預(yù)測構(gòu)件成型導(dǎo)致的變形，與有限元法相比，該方法建立的模型能夠有效地抓住問題的物理本質(zhì)，且速度快，不需要大量時間劃分和優(yōu)化網(wǎng)格，能夠提供物理的視覺來洞察根本的變形機理［16］。Li Jun等人建立了三維遞增粘彈性模型并利用有限元軟件ABAQUS來實現(xiàn)固化變形的預(yù)測。該模型考慮了材料的各向異性熱應(yīng)變、溫濕膨脹、樹脂熱化學(xué)收縮［17］。Nima Zobeiry等人比較了瞬間變硬固化線彈性模型與粘彈性模型的關(guān)系，說明使用瞬間變硬固化線彈性模型的時機，確定了該方法的有效范圍和精度［18］。Nuri Ersoy等人建立簡化的模型，該模型假設(shè)構(gòu)件在某一時刻玻璃化，突然全部從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)為玻璃態(tài)，通過有限元軟件根據(jù)分兩步來預(yù)測構(gòu)件成型變形。該法既有較好的精度，又沒有完全粘彈性模型的復(fù)雜計算和大量數(shù)據(jù)要求，但該模型沒有考慮固化過程、模具與構(gòu)件的相互作用［19］。X.Zeng等人通過實驗和數(shù)值模擬深入研究了模具與構(gòu)件的相互作用機理，建立摩擦子模型完善了理論模型，并通過了實驗的驗證［20］。

整體上來說，模型從線彈性向非線性粘彈性發(fā)展，越來越完善，包含更多的子模型，例如傳熱模型、化學(xué)收縮模型、材料模型、機械應(yīng)力及應(yīng)變模型、摩擦模型。建立模型時力求實現(xiàn)精度與計算時間的統(tǒng)一。

3 變形預(yù)測應(yīng)用

變形預(yù)測的主要目的是指導(dǎo)生產(chǎn)，提高構(gòu)件成型的精度。目前主要有以下幾種應(yīng)用。

(1)優(yōu)化熱壓罐成型工藝，比如恰當(dāng)?shù)卮_定成型壓力、升溫速率、降溫速率等參數(shù)。該方法已經(jīng)廣泛使用在生產(chǎn)中。

(2)根據(jù)變形預(yù)測的結(jié)果，在工裝上進行針對性的修改，從而使得構(gòu)件成型后獲得合格的形狀。岳廣全研究了修改工裝對構(gòu)件變形的影響，提出修改模具厚度、模具支撐結(jié)構(gòu)、模具型面可以有效控制構(gòu)件變形，但修改工裝參數(shù)時要考慮對模具剛度的影響［20］。李桂東建立了基于構(gòu)件型面節(jié)點變形的工裝型面補償模型，通過新的構(gòu)件型面設(shè)計新的工裝型面，重新設(shè)計工裝結(jié)構(gòu)，進行變形預(yù)測，原理如圖2所示。該方法已經(jīng)用于國內(nèi)某主機廠的工裝設(shè)計系統(tǒng)［10］。

(3)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，多方面的研究表明構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)對構(gòu)件成型變形有明顯影響，根據(jù)幾何尺寸對變形的靈敏度大小，優(yōu)化設(shè)計相關(guān)尺寸參數(shù)，控制構(gòu)件的變形［21］。

4 變形預(yù)測的構(gòu)件結(jié)構(gòu)

熱壓罐成型的典型構(gòu)件的種類很多，研究對象主要針對幾何結(jié)構(gòu)相對規(guī)則的平板類、L型、U型、C型、T型構(gòu)件、V型薄壁件的變形研究［9］，對具有空間曲面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的變形研究較少。

5 未來研究展望

(1)建立既準(zhǔn)確又實用的預(yù)測模型仍然是未來研究的主要方向。復(fù)合材料構(gòu)件越來越大，對計算機的計算能力是一個挑戰(zhàn)，模型必須在理論上完整科學(xué)，還得可以方便簡化計算。

(2)將針對某一類典型結(jié)構(gòu)的構(gòu)件分別開展研究，研究對象將包含更多復(fù)雜結(jié)構(gòu)典型構(gòu)件。構(gòu)件的幾何結(jié)構(gòu)對變形影響重大，需分類開展深入的研究，便于提高預(yù)測精度和增強對生產(chǎn)的指導(dǎo)。

(3)對熱壓罐成型過程中的溫度場進行更詳細(xì)的研究。為了提高預(yù)測精度，必然會考慮很多以前忽略的因素，這些因素對模具、構(gòu)件、熱壓罐溫度場有較大影響，比如模具支撐結(jié)構(gòu)對熱壓罐系統(tǒng)溫度均勻性的影響(空氣動力學(xué)，熱傳導(dǎo))。

(4)對模型的邊界條件，研究得會更充分。這對提高預(yù)測精度也有較大影響。

(5)針對不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件開發(fā)與通用CAD軟件結(jié)合的產(chǎn)品程序包。該程序包可實現(xiàn)構(gòu)件幾何參數(shù)、成型參數(shù)、工裝設(shè)計優(yōu)化。

6 結(jié)語

本文針對熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件的變形預(yù)測及應(yīng)用的相關(guān)研究進行了分析與總結(jié)，并展望了未來主要研究方向。在此基礎(chǔ)上，提出需要分別針對某一類典型構(gòu)件進行深入研究，建立理論完善、計算方便的實用模型，對邊界條件要進行深入的研究，對工裝結(jié)構(gòu)對整個溫度場的影響進行深入研究，加強研究成果的軟件化開發(fā)，對數(shù)字化快速設(shè)計復(fù)合材料構(gòu)件、成型參數(shù)、工裝，低成本加工復(fù)雜構(gòu)件有著重要的意義。

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