淺析復合材料框架式成型模具設計技術

（中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436）

復合材料的優(yōu)越性能使其在航空領域得到越來越廣泛的應用，越來越多的大尺寸、高精度飛機零件使用復合材料固化成型。由于在復合材料成型工藝過程中模具的型面直接與復合材料構(gòu)件接觸，模具的變形會影響到制件的形狀和尺寸精度；對于尺寸較大的模具結(jié)構(gòu)，在固化過程中模具型面溫度場分布的不均勻性會影響到復合材料構(gòu)件表面溫度及其固化質(zhì)量[1]。伴隨著復合材料零件大尺寸化及高精度要求，對其成型所用模具的高效、精準、優(yōu)化設計帶來了很大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)階段對于大尺寸的蒙皮、翼梁成型所用模具多選用框架式結(jié)構(gòu)，選用這種結(jié)構(gòu)的原因是厚度均勻，通風好，升降溫快，有利于模具各點溫度均勻，可減少模具在升（降）溫過程中因各部位溫度不一樣引起的模具變形。但目前在框架式模具的設計過程中，對于多個支撐框架的設計，操作起來重復且繁瑣，更改起來費時費力，且模型的設計主要是依賴經(jīng)驗，模具通常比較笨重，也未對模型的變形及溫度分布情況進行校核，模具設計的效率及精準性欠佳。為了改善這種狀況，提高模具設計及更改的效率；在設計階段盡量考慮周全，減少模具對復合材料制件固化變形的影響，有必要針對這種框架式模具的設計建立一種快速建模及更改方法，并在此基礎上對模型開展有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果對模型進行調(diào)整和優(yōu)化，并在模具設計時對尺寸及回彈進行補償，以獲取較為合理的模具結(jié)構(gòu)設計。

1 快速化建模方法

對于框架式成型模具，其結(jié)構(gòu)主要有以下幾個部分：型面板、帶通風孔的橫向支撐隔板、帶通風孔的縱向支撐隔板、底板、腳輪及吊環(huán)等，如圖1所示。在模具設計過程中需要調(diào)整的參數(shù)有：型面板厚度、支撐隔板厚度、支撐隔板的數(shù)量、通風孔的定位尺寸等。

圖1 框架式成型模具示意圖Fig.1 Schematic diagram of frame-mould

現(xiàn)階段設計者多采用CATIA軟件進行模具模型設計。建模過程中需要根據(jù)產(chǎn)品的型面進行提取、接合、延伸、剪貼及厚曲面等操作形成模具的型面板；再通過平面偏置、草圖繪制、凸臺、凹槽等操作形成與型面板相連接的隔板及隔板上的通風孔。由于隔板數(shù)量較多，所以繪制隔板的操作工作量大且多為重復性操作，更改起來也十分繁瑣，占用了設計者相對較多的設計時間。而通過圖2 “產(chǎn)品智能模板”工具欄中的“創(chuàng)建超級副本”操作可將在建模過程中草圖繪制、凸臺、凹槽等需要重復性操作的命令集合在一個特定的命令集中進行封裝，如圖3所示。相同的操作步驟只需通過 “從選擇實例化”操作引用該命令集合即可，如圖4所示，有效避免了繪制隔板及通風孔過程大量重復性操作。建模前期通過使用圖5 “知識工程”工具欄中“公式”命令定義需要調(diào)整變化的參數(shù)并給參數(shù)賦值，如圖6所示，后期只需通過更改賦值就可以驅(qū)動參數(shù)值的變化，它還可通過定義公式來定義變量之間的關系，實現(xiàn)一個變量基于另一個變量的變化而變化，從而實現(xiàn)了參數(shù)的變量化。

圖2 “產(chǎn)品智能模板”工具欄Fig.2 Toolbar of“Knowledge Templates”

圖3 “創(chuàng)建超級副本”操作Fig.3 Operation of“PowerCopy Creation”

圖4 “從選擇實例化”操作Fig.3 Operation of“Instantiate From Selection”

圖5 “知識工程”工具欄Fig.5 Toolbar of“Knowledge”

圖6 使用“公式”命令定義參數(shù)及參數(shù)值Fig.6 Use “Formula” to define parameters and values

使用這種建模方法對型面板厚度、支撐隔板厚度、通風孔的定位尺寸、橫向支撐隔板的數(shù)量及縱向隔板的數(shù)量這幾個參數(shù)進行變量化及快速設計后，CATIA模型樹中的參數(shù)定義如圖7所示。此時，對參數(shù)的數(shù)值在合理范圍內(nèi)進行更改，刷新視圖并將模型稍作更改后，模型將符合設計更改要求，如表1所示。

圖7 CATIA模型樹中的參數(shù)定義Fig.7 Definition of parameters in CATIA tree

表1 不同參數(shù)值的模型圖

綜上所述，基于“公式”及“超級副本”操作的建模方法大大縮短了框架式模具的建模時間，使模型的設計和更改變得十分快捷；有效提高了模具設計及更改的效率；同時它也是對模型進行有限元分析及優(yōu)化設計的基礎和前提。

2 基于有限元的模型分析

目前，在復合材料框架式成型模具設計中，對于模具結(jié)構(gòu)的強度校核通常采取的是依靠經(jīng)驗的方法，在支撐隔板的厚度及間距、通風孔尺寸的制定上采取保守設計，如增大隔板厚度，縮小隔板間距，這樣的方法在一定程度上可以改善模具的性能，但更多的后果是造成材料的浪費、模具的笨重，模具制造周期延長，模具成本增加，甚至影響到一系列的加工、吊裝、運輸?shù)仍O備的選擇與使用。這就需要在模具設計時利用有限元分析方法對模具在吊裝、移動、鋪貼、固化等工況下的應力及變形情況進行校核以確定模具設計的可行性，并在應力及變形允許的情況下對模型的設計參數(shù)進行調(diào)整，使模具在滿足性能的前提下減輕重量，降低材料、加工、運輸成本，縮短制造周期[2]。特別對于大尺寸的蒙皮及梁類復材零件的模具而言，框架式支撐結(jié)構(gòu)是模具的主體，大量的材料、機加、焊接成本也消耗于此，因此十分有必要通過有限元分析選擇合理的支撐板尺寸與結(jié)構(gòu)布局，在保證復材制件成型質(zhì)量的同時盡量降低模具的經(jīng)濟成本。此外，在復合材料零件固化過程中，模具型面溫度場會影響到復合材料零件表面溫度及其固化質(zhì)量，最終影響到零件的固化變形，模具溫度梯度也會引起模具自身的變形，因此也需要對模具在固化過程中的溫度分布進行模擬以確定模具設計的可行性并通過參數(shù)調(diào)整使模具溫度場分布盡量均勻。

針對表1中的1#與2#模型，使用CATIA的ANALYSIS SIMULATION模塊分別對他們的正常起吊工況、極限起吊工況（起吊時緊急剎車狀態(tài)）、移動工況、鋪貼工況進行分析，模具材料為Q235，不同工況下分析所施加的邊界條件如表2所示，不同工況下這兩個模型的最大變形值和最大應力值如表3所示。

表3 不同工況下的有限元分析結(jié)果

2#模型與1#模型相比，型面板厚度增大2mm，支撐隔板厚度增大2mm，通風孔定位尺寸增大20mm，重量增大179 kg（1#模型的質(zhì)量為860kg， 2#模型的質(zhì)量為1039kg）。由表3可見，相同工況下2#模型的變形與應力均小于1#模型，但1#模型與2#模型在4種工況下所受最大應力均不超過模具材料Q235的屈服應力235MPa，所產(chǎn)生的變形均為彈性變形， 1#模型與2#模型均能滿足設計要求，在此前提下優(yōu)先選擇1#模型可以減輕模具重量，節(jié)省材料成本。

在熱壓罐內(nèi)固化過程中分析模具的溫度分布及模具熱變形時，使用CATIA建立一個φ5.5m×13m的熱壓罐模型及3.15m×1.2m×0.585m的普通鋼框架式模具模型，采用ICEM CFD對熱壓罐內(nèi)區(qū)域劃分網(wǎng)格，如圖8所示。在Fluent中設置瞬態(tài)求解，開啟能量方程并設置湍流模型，進口邊界選擇速度入口，出口邊界選擇出流方式，熱壓罐的外壁假定為絕熱壁，內(nèi)壁設定為耦合壁面；熱壓罐內(nèi)溫度邊界條件定義為時間的函數(shù)，如圖9所示。計算后提取各個關鍵時刻點模具型面上表面的溫度云圖，如表4所示。

圖8 熱壓罐內(nèi)區(qū)域及模具網(wǎng)格劃分圖Fig.8 Mesh of autoclave area and mould

圖9 熱壓罐內(nèi)溫度邊界條件Fig.9 Boundary condition of temperature in autoclave

表4 模具型面上表面溫度云圖

由表4可見：升溫階段，迎風面溫度較高，工裝中部溫度較低，溫差逐漸增大；升溫結(jié)束時，模具型面上表面出現(xiàn)最大溫差為14.6℃；保溫階段溫差減小至0℃；降溫階段迎風面溫度較低，工裝中部溫度較高。在整個固化過程中模具型面上表面溫度分布較均勻。由于復合材料制件的固化反應主要發(fā)生在保溫后期階段，可認為經(jīng)過足夠的保溫時間后工裝型面溫度場均勻。因此，在計算和分析模具熱變形時，可以施加均勻溫度場進行求解。

使用ABAQUS計算工裝模型熱變形時，定義模具材料Q235鋼，設定初始溫度為20℃，最終溫度為180℃，在模具4個腳輪位置處添加位移約束，求解在該溫度差下模具的變形量。模具的熱變形云圖如圖10所示。模具最大變形位于4個邊角處，最大變形量為3.3mm?？梢?，大尺寸的普通鋼材料模具在高溫固化時的變形量是比較大的。

圖10 模具熱變形云圖Fig.10 Deformation contour of mould at cure temperature

3 模具設計補償

3.1 尺寸補償機理及公式

一般情況下，模具材料的熱膨脹系數(shù)大于復合材料的熱膨脹系數(shù)。若按照復材制件的理論尺寸設計模具，則當升溫時，復材制件與模具一起受熱膨脹；中高溫固化時，膨脹后的模具型面決定復材零件的貼模型面；固化后降溫時，模具收縮至理論尺寸，而復材制件由于熱膨脹系數(shù)較小則不能收縮至理論尺寸。于是模具材料與復合材料的熱膨脹系數(shù)不同會造成復材制件固化后尺寸及外形的不準確。小尺寸模具的熱膨脹對復材零件影響很小，但當模具尺寸較大，且復材零件上有重要的外形或裝配特征時必須要考慮模具材料與復合材料的熱膨脹系數(shù)差異帶來的影響，在模具設計時進行尺寸補償。

當模具材料與復合材料的熱膨脹系數(shù)不一致時，設：A為模具理論尺寸（復材零件的設計尺寸）；B為模具考慮設計補償后的尺寸（室溫下模具型面上所刻的零件凈邊線距離）；ΔT為固化溫度與室溫的差值；ψA為復合材料的熱膨脹系數(shù)；ψB為模具材料的熱膨脹系數(shù)；σ為模具尺寸補償系數(shù)（B/A）。

則室溫鋪貼時，復材零件凈邊尺寸為A，模具型面上所刻的零件凈邊線距離為B；當在高溫固化溫度下，固化反應剛剛結(jié)束時，模具型面上所刻的零件凈邊線的距離B受熱膨脹至（B+B×ΔT×ψB），復材零件的凈邊尺寸A受熱膨脹至（A+A×ΔT×ψA），兩者尺寸相等；當溫度由固化溫度降至室溫時，模具型面上所刻的零件凈邊線的距離由（B+B×ΔT×ψB）收縮至B，復材零件尺寸由（A+A×ΔT×ψA）收縮至A（圖11）。

圖11 模具尺寸補償系數(shù)原理圖Fig.11 Principle of mould size compensation coefficient

由上可計算出：

補償系數(shù)：

當復材制件外形特征復雜且有裝配要求，且復材制件上需要在固化后脫模前鉆出裝配/切邊用的基準孔時，模具縮放基準的選擇將關系到制件外形特征相對于基準孔的位置是否準確。通常將復材制件以其質(zhì)心為基準，使用上述補償系數(shù)進行縮放后作為模具設計的輸入基準。

3.2 回彈變形及補償

對于大曲率復合材料蒙皮、梁、肋、筋條等零件的模具設計需要考慮制件固化脫模后的回彈影響?；貜椗c成型工藝、制件結(jié)構(gòu)及鋪層角度、模具材料、模具形式等多種因素相關。模具設計時進行回彈的補償可在一定程度上減小制件固化后的變形，降低裝配應力；但補償系數(shù)難以確定。

對于梁、肋、筋條等復材制件，回彈的補償方式通常是在模具設計時加入回彈角。以C形梁為例，模具設計的一般過程如下：

（1）分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在此基礎上截取典型部段作為試驗件進行模具設計與制造，此時模具設計時可不考慮回彈影響；

（2）進行試驗件的制造；

（3）進行試驗件與模具的檢測，根據(jù)檢測結(jié)果計算試驗件角度與模具角度的差值，即回彈角；

（4）考慮此回彈角度，進行正式產(chǎn)品的模具設計。

根據(jù)試驗件制造經(jīng)驗，對于熱壓罐成型工藝陽模成型的C形梁結(jié)構(gòu)，模具設計時通常按照圖12來考慮回彈方向；對于熱壓罐成型工藝陰模成型的C形梁結(jié)構(gòu)，模具設計時通常按照圖13來考慮回彈方向；回彈角度α則需要根據(jù)零件的實際情況確定。

圖12 陽模成型的C形梁回彈方向Fig.12 Spring direction of "C" spar molding by male mould

圖13 陰模成型的C形梁回彈方向Fig.13 Spring direction of "C" spar molding by female mould

通常C形梁每一部位的鋪層不相同，且C形翻邊處的角度也是變化的，所以每個部位的回彈角度α也不是相同的值，這就需要設計者根據(jù)工藝試驗件情況結(jié)合實際綜合考慮回彈補償。

對于變曲率蒙皮，現(xiàn)階段主要還是依靠試驗件制造的方法確定回彈方向及回彈量。由于各個位置處的回彈量大小不一，所以要得出每個位置處的回彈量，并在模具設計時在理論型面上的多個位置進行不同量的補償，做出補償后的模具型面是比較困難的。國內(nèi)學者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)件型面設計新的工裝型面，重新設計工裝結(jié)構(gòu)，進行變形預測，該方法已經(jīng)用于國內(nèi)某主機廠的工裝設計系統(tǒng)[3]。

4 模具設計發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段多采用普通鋼作為模具材料，這種模具在高溫固化溫度下的尺寸穩(wěn)定性較差，成型出零件的尺寸及外形與預期設計有一定的差異，所以對于大尺寸、外形特征復雜且精度要求高的復材件如機翼壁板、筒狀機身、中央翼盒等的制備，將更多采用與復合材料膨脹系數(shù)接近的工裝材料（復合材料、Invar）進行模具結(jié)構(gòu)設計，以降低模具因素對制件固化變形的影響。英國AMBER COMPOSITES、ACG、美國HEXCEL、CYTEC 公司均有模具用預浸料產(chǎn)品且在提高復合材料模具的使用溫度、改善模具型面的抗損傷性能及耐磨性能，延長模具使用壽命方面均有一定的研究。例如，ACG公司與Integran公司合作，采用納米技術，在復材工裝的工作面鍍上一層Invar，以提高復材模具的耐碰擦和耐磨損性能，并將此技術成功應用于A320飛機整流罩的模具制造[4]；HEXCEL公司的HexTOOL是碳/雙馬來酰亞胺預浸料，最高使用溫度230℃，可經(jīng)歷500個固化周期，采用短切纖維的準各向同性材料氣密性好且可進行表面機械加工。它已用于A350XWB飛機的機身壁板模具的制造[5]。Invar在歐美已經(jīng)廣泛地應用于大型飛機復材件的模具結(jié)構(gòu)，如B787的機身芯模和機翼模具[6]。Invar的成型質(zhì)量雖好，但是它價格不菲，極大地增加了模具的成本，且重量大加工周期長，未來的設計我們可考慮采用Invar型面板與復合材料支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合模具設計方式，充分結(jié)合Invar精準耐用與復合材料質(zhì)量輕的優(yōu)勢，但需考慮型面與支撐結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)接。

由于飛機上復合材料零件的外形多為變曲率的不規(guī)則曲面，在模具設計上補償制件的固化變形需要更多地依賴有限元分析的方法，這就需要模具設計人員熟練掌握并運用有限元分析軟件，在模具加工制造之前使用有限元分析軟件對模具進行數(shù)值模擬來檢驗并指導模具設計。這不僅可以降低試模及返修的時間和經(jīng)濟成本，有效提高勞動生產(chǎn)率，還對提高復合材料的成型質(zhì)量，預測控制固化變形都有著十分重要的意義。這已經(jīng)成為國外復材模具公司進行模具設計過程中不可或缺的程序之一，也將成為我國各大企業(yè)模具設計者進行設計工作的必然趨勢，得到越來越廣泛的應用。

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