基于型面節(jié)點(diǎn)的復(fù)合材料構(gòu)件模具型面修正研究

韓志仁，楊 攀，佟 剛，項(xiàng) 松

(1. 航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2. 沈陽航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部，沈陽 110136；3. 遼寧通用航空研究院，沈陽 110136)

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用已非常廣泛，在總材料中的比例逐步提高。從國外情況看，各種先進(jìn)的飛機(jī)都與復(fù)合材料的應(yīng)用密不可分，復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[1]。未來將是全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的時(shí)代，大型民機(jī)在結(jié)構(gòu)選材方面，從全金屬材料過渡到全復(fù)合材料是種明顯的趨勢。碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料可像布料一樣剪裁，因此新的生產(chǎn)工序制造出的邊角余料和廢料都減少了，787復(fù)合材料方案解決了效率問題，使復(fù)合材料比例達(dá)到50%，因此新型飛機(jī)使用復(fù)合材料勢不可擋[2-5]。

我國在大飛機(jī)的研制中力求大量使用復(fù)合材料，但經(jīng)過多年的設(shè)計(jì)試制，復(fù)合材料的使用量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國際水平，除了設(shè)計(jì)層面的原因外，部分原因是由于復(fù)合材料制造工藝無法保證大型復(fù)合材料零件尺寸精度，造成整體裝配協(xié)調(diào)困難。目前國內(nèi)航空企業(yè)在復(fù)合材料零件制造過程中積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但沒有從理論上和體系上解決復(fù)合材料精準(zhǔn)制造的問題[6]。復(fù)合材料構(gòu)件固化變形涉及到碳纖維性能、樹脂基體性能、模具結(jié)構(gòu)、模具材料性能、固化溫度場分布情況、固化制度、固化過程中的化學(xué)反應(yīng)、零件結(jié)構(gòu)等多種因素，各種影響因素相互作用，綜合作用的結(jié)果體現(xiàn)在復(fù)合材料零件的變形上，因此復(fù)合材料固化變形極其復(fù)雜，很難通過單一因素控制復(fù)合材料零件的變形。如何綜合考慮各種影響因素，建立綜合模糊的控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料固化變形的有效控制是我們急需解決的問題[7-13]。

變形修正總體方案

通過特定的工藝試驗(yàn)，獲取相同工藝條件下的試驗(yàn)件，經(jīng)過逆向處理后的點(diǎn)云與試驗(yàn)件模具曲面在對應(yīng)位置處各節(jié)點(diǎn)的對比，獲得變形規(guī)律數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)獲取的變形數(shù)據(jù)，推算出復(fù)合材料產(chǎn)品變形規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)這一類復(fù)合材料產(chǎn)品的模具型面修正。修正流程如圖1所示。

圖1 模具型面修正流程Fig.1 Process of mould surface modification

試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

對于同一類復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)，只要采用與試驗(yàn)件完全相同的成型工藝和鋪層方式，修正時(shí)即可使用該數(shù)據(jù)，無需重新鋪制，本文中復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層方式與成型工藝都與試驗(yàn)件相同，故試驗(yàn)件獲取到固化變形數(shù)據(jù)而總結(jié)出的固化變形規(guī)律才能與實(shí)際生產(chǎn)的復(fù)材構(gòu)件變形規(guī)律最為接近。

根據(jù)試驗(yàn)件固化變形情況，最終確定將試片曲面按一定規(guī)則切分為若干截面，并在截面線上取半徑、角度等參數(shù)作為變形參數(shù)，進(jìn)而研究其變形規(guī)律。圖2為獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)過程的示意圖，表1為一截面所取節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑以及各節(jié)點(diǎn)間的角度約束關(guān)系。

圖2 獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)過程Fig.2 Process of the experimental data

表1 特征截面所取節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)

對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，可得到模具曲面與試驗(yàn)件曲面相對應(yīng)位置處的某一特征截面上節(jié)點(diǎn)的對比圖，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)件曲面與模具曲面對應(yīng)特征截面上各節(jié)點(diǎn)的對比Fig.3 Comparison between part surface and mould surface corresponding characteristic section on each node

修正方法

將測量出的試驗(yàn)件各節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑、角度變化率，通過曲線擬合數(shù)值計(jì)算方法，推算其變形規(guī)律，進(jìn)而作用于產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)曲面，對其進(jìn)行補(bǔ)償修正，以補(bǔ)償固化過程中造成的變形誤差。變形補(bǔ)償流程如圖4所示。

具體修正過程如下：

（1）以從試驗(yàn)件上獲取到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總結(jié)出各參數(shù)的變化規(guī)律。記為：

式中：r1、φ1為試驗(yàn)件模具截面上各節(jié)點(diǎn)的曲率半徑及角度值；r2、φ2為試驗(yàn)件截面上各節(jié)點(diǎn)的曲率半徑及角度值；R、Φ為各節(jié)點(diǎn)的曲率半徑及角度的變化律。

圖4 變形補(bǔ)償流程Fig.4 Process of deformation compensation

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)曲面的特點(diǎn)，對其沿著曲率變化較大的方向上做截面，然后在每條截面線上等比例生成一定數(shù)量的點(diǎn)記為Mi，并測量出這些點(diǎn)的曲率半徑記為角度值為修正過程以該截面線上點(diǎn)Mi的曲率半徑為基礎(chǔ)，通過曲率半徑變化率R，求出變形后各點(diǎn)的曲率半徑再結(jié)合各點(diǎn)的角度變化規(guī)律Φ，依次計(jì)算出變形后的新節(jié)點(diǎn)修正算法公式如式（2），修正算法示意如圖5所示。以曲線上各點(diǎn)為基礎(chǔ)，根據(jù)式（2）先確定出點(diǎn)M1的修正后的點(diǎn)，再將曲線平移到位置處，根據(jù)式（2）確定出M2修正后的點(diǎn)以此類推直到求出曲線上各點(diǎn)變形后的新節(jié)點(diǎn)。

（3）獲取產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)曲面上所有新生成的各節(jié)點(diǎn)Mi的坐標(biāo)，并將其導(dǎo)入到CATIA中的Digitized Shape Editor模塊中利用Mesh Creation功能生成模具設(shè)計(jì)曲面的修正曲面，從而得到修正后的模具曲面。

圖5 修正算法Fig.5 Correction algorithm

算例

為了驗(yàn)證此算法能夠有效地修正補(bǔ)償固化過程中產(chǎn)生的變形，以某公司鋪制加工的某曲面類構(gòu)件為例，利用CATIA中分析模塊對比分析了未補(bǔ)償修正模具型面前，構(gòu)件型面與模具型面之間的誤差，如圖6所示。接下來利用本文中提及的修正算法對產(chǎn)品設(shè)計(jì)曲面進(jìn)行修正補(bǔ)償，并在CATIA中分析對比了經(jīng)過型面補(bǔ)償修正，補(bǔ)償后的模具型面與構(gòu)件變形后型面之間的誤差，如圖7所示。

圖6 未修正模具型面與構(gòu)件型面之間的差值對比Fig.6 Difference between the uncorrected mould surface and parts surface before compensation

圖7 補(bǔ)償后修正的模具型面與構(gòu)件變形后型面差值對比Fig.7 Difference between the corrected mould surface and deformed parts surface after compensation

通過分析對比，修正后模具型面與構(gòu)件變形后型面非常接近，它們之間的誤差已明顯減小，已經(jīng)由未補(bǔ)償模具型面前的最大位移6.03mm減小到0.502mm，說明本文中提及的修正算法用于模具型面修正的有效性，可以補(bǔ)償固化過程中產(chǎn)生的變形。

結(jié)論

（1）對試驗(yàn)件點(diǎn)云曲面與試驗(yàn)件模具型面類比，并利用兩曲面上相對應(yīng)位置處特征曲面的節(jié)點(diǎn)來獲取設(shè)計(jì)曲面修正數(shù)據(jù)。

（2）通過對特征曲面的曲率、角度約束關(guān)系的比對,結(jié)合曲線擬合、曲面匹配等方法獲取固化變形規(guī)律。

（3）提出一種基于型面節(jié)點(diǎn)的復(fù)合材料構(gòu)件模具型面修正補(bǔ)償算法，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該算法的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱晉生 ,王卓 ,歐峰 .先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝,2012(9):76-79.

ZHU Jinsheng,WANG Zhuo,OU Feng.Applications of advanced composite materials in aerospace[J].New Technology & New Process,2012(9):76-79.

[2] 顏鳴皋 ,吳學(xué)仁 ,朱知壽 .航空材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].航空制造技術(shù),2003(12):19-25.

YAN Minggao,WU Xueren,ZHU Zhishou.Recent progress and prospects for aeronautical material technologies[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2003(12):19-25.

[3] 蘇 云 洪 ,劉 秀 娟 ,楊 永 志 .復(fù) 合材料在航空航天中的應(yīng)用[J].工程與試驗(yàn),2008(4):36-38.

SU Yunhong,LIU Xiujuan,YANG Yongzhi.Application of composites in aviation and aerospace[J].Engineering & Test,2008(4):36-38.

[4] 沈軍 ,謝懷勤 .先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工藝 ,2008,16(5):737-740.

SHEN Jun,XIE Huaiqin.Development of research and application of the advanced composite materials in the aerospace engineering[J].Materials Science and Technology,2008,16(5):737-740.

[5] 陳祥寶 ,張鳳翻 .先進(jìn)樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展[J].材料工程,1996(6):5-7.

CHEN Xiangbao,ZHANG Fengfan.The development of advanced structural polymer composites[J].Journal of Materials Engineering,1996(6):5-7.

[6] 邱惠中 ,吳志紅 .國外航天材料的新進(jìn)展[J].宇航材料工藝,1997(4):5-13.

QIU Huizhong,WU Zhihong.Development of aerospace materials abroad[J].Aerospace Materials & Technology,1997(4):5-13.

[7] 蔡文峰 ,周慧群 ,于鳳麗 .樹脂基碳纖維復(fù)合材料成型工藝現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].航空制造技術(shù),2008(10):54-57.

CAI Wenfeng,ZHOU Huiqun,YU Fengli.Current status and development trend of epoxy resin carbon fiber reinforced composites forming process[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2008(10):54-57.

[8] 張紀(jì)奎 ,酈正能 ,關(guān)志東 ,等 .熱固性樹脂基復(fù)合材料固化變形影響因素分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2009,26(1):179-184.

ZHANG Jikui,LI Zhengneng,GUAN Zhidong,et al.Analysis on factors influencing process-induced deformation for thermoset composites[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2009,26(1):179-184.

[9] 岳廣全 ,張博明 ,杜善義 ,等 .模具對熱固性樹脂基復(fù)合材料固化變形的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2010(5):62-65.

YUE Guangquan,ZHANG Boming,DU Shanyi,et al.Influence of the mould on curing induced shape distortion for resin matrix the thermosetting composites[J].FRP/CM/,2010(5):62-65.

[10] 賈麗杰 ,葉金蕊 ,劉衛(wèi)平 ,等 .結(jié)構(gòu)因素對復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件固化變形影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào) ,2013,30(S1):261-265.

JIA Lijie,YE Jinrui,LIU Weiping,et al.Role of structural factors in process cure-induced deformation of the complex composites[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2013,30(S1):261-265.

[11] 張紀(jì)奎 ,酈正能 ,關(guān)志東 ,等 .熱固性復(fù)合材料固化過程三維有限元模擬和變形預(yù)測[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào) ,2009,26(1):174-178.

ZHANG Jikui ,LI Zhengneng,GUAN Zhidong,et al.Three-dimensional finite element simulation and prediction for process-induced deformation of themoset composites[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2009,26(1):174-178.

[12] 張吉,廖文和,李迎光.模具對柱面復(fù)合材料構(gòu)件固化變形影響的有限元分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2012(5):191-195.

ZHANG Ji,LIAO Wenhe,LI Yingguang.Finite element analysis of the mould influence on process-induced deformation of cylindrical composite part[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2012(5):191-195.

[13] 岳廣全,張嘉振,張博明.模具對復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的影響分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2013(4):206-210.

YUE Guangquan,ZHANG Jiazhen,ZHANG Boming.Influence of mold on cure-induced deformation of composites structure[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2013(4):206-210.