復(fù)合材料制造過程仿真技術(shù)綜述

元振毅 ， 王永軍 ， 蔡豫晉 ， 郭俊剛 ， 蘇 霞 ， 孫 博

（1.西北工業(yè)大學(xué)陜西省數(shù)字化制造工程技術(shù)研究中心，西安 710072；2. 中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710089）

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料（Advanced Polymeric Composites， APC），如不特別說明，本文后續(xù)提到的復(fù)合材料就指代先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料）具有比強(qiáng)度高、比模量大、耐高溫、抗腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)以及隱身性好等系列優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)70年代初即開始應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，目前在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展成航空4大結(jié)構(gòu)材料之一。

縱觀歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，各種先進(jìn)飛機(jī)的問世均與先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)緊密相連，如波音787復(fù)合材料用量達(dá)到50%，而空客A350更是達(dá)到52%，可以說復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用部位及應(yīng)用量已成為衡量航空結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一[1-2]。

同金屬材料相比，復(fù)合材料具有材料制造與結(jié)構(gòu)成型同時(shí)完成的特點(diǎn)，材料的性能通過制造過程被賦予到結(jié)構(gòu)上，因此復(fù)合材料構(gòu)件的成型過程就突顯出其重要性。目前，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料生產(chǎn)制造過程面臨著產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)、質(zhì)量穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高等問題，嚴(yán)重制約了航空工業(yè)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造成本一般占總成本的70%以上。因此，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的制造過程進(jìn)行深入研究，并對(duì)影響成型質(zhì)量的各種因素進(jìn)行有效合理控制是提高我國(guó)復(fù)合材料制造水平的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、固化過程影響因素多，甚至存在某些結(jié)構(gòu)在工藝上難以實(shí)現(xiàn)的問題。傳統(tǒng)成型復(fù)合材料構(gòu)件方法為試錯(cuò)法，即在工藝人員經(jīng)驗(yàn)和工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)構(gòu)件模具結(jié)構(gòu)、型面以及固化工藝規(guī)范進(jìn)行反復(fù)調(diào)整或補(bǔ)償加工，從而滿足設(shè)計(jì)要求。這種方法耗時(shí)費(fèi)力，對(duì)大型復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)難以適用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元技術(shù)的發(fā)展，以及復(fù)合材料基礎(chǔ)理論體系的完善，虛擬仿真技術(shù)得到飛速發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件制造各個(gè)環(huán)節(jié)的理論問題進(jìn)行研究，并試圖用各種物理模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行制造過程描述來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化，從而完成對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。近年來，多種復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析軟件被相繼開發(fā)并應(yīng)用到復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、分析與制造過程，推動(dòng)了復(fù)合材料在航空工業(yè)的發(fā)展。

本文介紹幾種常見的仿真軟件，闡述仿真技術(shù)在復(fù)合材料制造中的應(yīng)用，針對(duì)仿真建模中的幾個(gè)關(guān)鍵性問題進(jìn)行分析，并討論仿真技術(shù)在我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

常用復(fù)合材料仿真軟件

利用仿真技術(shù)，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的制造過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以分析模具與復(fù)合材料構(gòu)件受熱是否均勻、基體樹脂是否固化完全、構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布以及脫模后回彈變形情況，有助于工程師在設(shè)計(jì)之初就考慮到構(gòu)件在制造過程中可能遇到的問題，從而縮短研制周期、降低制造成本。目前，國(guó)內(nèi)外常用的主流仿真軟件如圖1所示，下面將常用的幾種軟件進(jìn)行介紹。

圖1 常用的復(fù)合材料仿真軟件Fig.1 Common simulation software for composites

Laminate Tools是英國(guó)Anaglyph公司旗下的一款集復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析和制造于一身的商業(yè)軟件。該軟件由顯示、設(shè)計(jì)、分析、檢查以及制造工藝5個(gè)基本模塊組成，尤其是其檢查模塊，可以快速便捷地讀取 ANSYS、Patran/Nastran、ABAQUS等有限元軟件的結(jié)果文件，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行問題修改。該軟件可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件從鋪層設(shè)計(jì)到制造信息輸出的完整流程。目前Laminate Tools在國(guó)外復(fù)合材料產(chǎn)品制造過程中已廣泛應(yīng)用，包括航空、汽車、船舶以及風(fēng)能等領(lǐng)域。AW189直升機(jī)復(fù)合材料進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)制造過程就是采用了該軟件，有效減少了二次裝配連接的費(fèi)用，縮短了研制周期。

VISTAGY公司開發(fā)了復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件FiberSIM，該軟件支持復(fù)合材料零件從概念設(shè)計(jì)到制造的整個(gè)過程，允許設(shè)計(jì)人員同時(shí)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)以及工藝過程約束之間進(jìn)行權(quán)衡分析，并且可以集成于CATIA、Pro/E和UG等三維造型軟件中。利用該軟件可以進(jìn)行復(fù)合材料構(gòu)件的工程設(shè)計(jì)、曲面展開、鋪層以及結(jié)構(gòu)工藝性分析等，并通過相應(yīng)的接口將這些信息傳遞給自動(dòng)下料機(jī)、激光鋪層定位系統(tǒng)以及纖維鋪放設(shè)備等，基本可以覆蓋復(fù)合材料整個(gè)工藝設(shè)計(jì)流程。FiberSIM軟件將傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造過程中依賴模線-樣板的傳遞方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字量為主導(dǎo)的傳遞方式，這也體現(xiàn)了并行工程的理念思想。目前該軟件在西飛、成飛、沈飛等幾大主機(jī)廠得到大量應(yīng)用，并取得了滿意的效果。

ESAComp軟件由歐洲航天局資助，最初由芬蘭赫爾辛基大學(xué)于20世紀(jì)90年代開發(fā)，具有在初始設(shè)計(jì)階段指導(dǎo)材料種類選擇、夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪層方式設(shè)計(jì)的能力。該軟件具有強(qiáng)大的銜接功能，提供了同多種主流CAE軟件，如ABAQUS、ANSYS、MSC以及NASTRAN等軟件的接口，方便地為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元分析提供準(zhǔn)備，并能對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的后處理。其軟件材料庫(kù)中包含了上千種材料，不僅包含有航空航天材料，還包括許多其他工業(yè)級(jí)的常用材料。全球有超過150家公司和研究機(jī)構(gòu)在使用該軟件，包括空客、寶馬以及西門子等企業(yè)。

CATIA CPD也是常用的復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件，該軟件為用戶提供了豐富的使用功能，包括鋪層生成、復(fù)合材料分析、工程制圖定義、制造模型定義、曲面轉(zhuǎn)化以及可制造性分析等。波音公司在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的波音 737、747、787系列飛機(jī)的翼身整流罩、內(nèi)襟翼以及空客A380的機(jī)身段、尾翼段以及襟副翼的設(shè)計(jì)與制造均采用CATIA CPD模塊數(shù)字化設(shè)計(jì)制造完成[3]。目前該軟件在國(guó)內(nèi)幾大主機(jī)廠得到了廣泛應(yīng)用。

ESI集團(tuán)是世界上領(lǐng)先的數(shù)值仿真軟件供應(yīng)商，其產(chǎn)品主要應(yīng)用在產(chǎn)品的制造工藝仿真以及評(píng)價(jià)產(chǎn)品在使用環(huán)境中的表現(xiàn)，通過不斷減少試驗(yàn)樣機(jī)的數(shù)量，從而降低生產(chǎn)成本、縮短研制周期。通過與眾多大學(xué)、研究所及航空航天企業(yè)的合作，ESI公司開發(fā)了用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造工藝仿真的產(chǎn)品，包括SYSPLY、PAM-RTM、PAM-FORM、PAMAUTOCLAVE、PAM-DISTORTION等。SYSPLY是用于設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的專業(yè)軟件，可以幫助工程師加速設(shè)計(jì)和驗(yàn)證復(fù)合材料構(gòu)件，并可實(shí)現(xiàn)大部分建模過程的自動(dòng)化，完成各種靜/動(dòng)力學(xué)問題、熱力學(xué)問題、屈曲分析以及大變形問題的分析。利用SYSPLY，設(shè)計(jì)人員在零件制造之初就掌握復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)特性。PAM-RTM軟件可以針對(duì)樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molding，RTM）工藝的樹脂充模過程進(jìn)行仿真，該軟件幾乎可以模擬所有的RTM工藝，并且操作簡(jiǎn)單、計(jì)算迅速。PAM-FORM可以處理層合板成型、紡織纖維成型以及塑料片材成型等過程的仿真，適用于預(yù)浸料、紡織物、紡纖維等材料的熱成型、沖壓成型以及滾壓成型等。PAM-AUTOCLAVE軟件和PAMDISTORTION軟件主要用于解決熱壓罐內(nèi)空氣流動(dòng)、傳熱以及預(yù)浸料的固化、回彈等問題，利用該軟件可以優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)及固化工藝參數(shù)，有效降低產(chǎn)品試驗(yàn)次數(shù)。目前ESI公司的復(fù)合材料軟件已在空客、波音、成飛等飛機(jī)制造廠商得到了廣泛應(yīng)用。

CMT公司的COMPRO軟件為用戶提供了使用“虛擬制造”方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型過程的仿真，可以實(shí)現(xiàn)熱化學(xué)-樹脂流動(dòng)-固化應(yīng)力的綜合模擬，用以評(píng)估工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。CMT公司與波音公司進(jìn)行了密切合作，目前該軟件已成功應(yīng)用在波音747、767和777飛機(jī)的研制中[4]。

Fernlund等[5-6]針對(duì)波音767-400ER的斜翼前梁和波音777的后支柱整流罩的固化變形問題采用軟件COMPRO進(jìn)行仿真模擬，并分析模具補(bǔ)償量對(duì)零件準(zhǔn)確性的影響，從而為工裝型面設(shè)計(jì)提供了參考。

RTM-Worx仿真軟件是荷蘭Polyworx公司研發(fā)的用于模注工藝流動(dòng)仿真軟件，該軟件經(jīng)過20年的發(fā)展，其操作更為簡(jiǎn)單、計(jì)算更為快捷、功能更為強(qiáng)大，為只具備RTM工藝知識(shí)而未經(jīng)有限元方法專業(yè)培訓(xùn)的工程師提供了方便。與其他RTM軟件相比，該軟件可將一維線單元、二維殼單元和三維四面體單元混合使用，且所需的網(wǎng)格數(shù)量更少，求解速度更快。目前，該軟件已在航空、軍工、建筑等行業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如在NH90直升機(jī)起落架、飛機(jī)復(fù)合材料翼盒等零件的制造中就使用了該軟件。

CADWIND是由MATERIAL公司專門為復(fù)合材料纖維纏繞工藝所開發(fā)的仿真軟件。相比于其他纖維纏繞軟件，該軟件界面友好，完全圖形化，可實(shí)現(xiàn)纏繞線型生成和纖維纏繞過程的三維動(dòng)態(tài)仿真，且具備2軸至6軸纏繞機(jī)的纏繞仿真和加工程序輸出。該軟件同樣具有與主流有限元軟件相結(jié)合的接口，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。將該軟件集成到復(fù)合材料虛擬制造系統(tǒng)中，工程人員就可以在遠(yuǎn)離纏繞機(jī)的情況下完成對(duì)纏繞工藝參數(shù)的優(yōu)化[7]。

除了專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造仿真軟件外，許多通用的商業(yè)有限元軟件也被廣泛應(yīng)用，這部分主要集中在國(guó)內(nèi)外高校。Li等[8]采用有限元軟件ABAQUS，利用軟件自帶的二次開發(fā)功能，對(duì)復(fù)合材料T型零件的固化變形問題進(jìn)行了研究。Zeng等[9]同樣利用了ABAQUS軟件對(duì)蜂窩夾層架構(gòu)的飛機(jī)尾部整流罩進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真及固化變形仿真分析。元振毅等[10]采用多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型過程溫度分布、樹脂流動(dòng)以及纖維體積分?jǐn)?shù)的變化進(jìn)行了研究。白光輝等[11]利用商用軟件ANSYS CFX，采用流固耦合分析技術(shù)，對(duì)某大型航空復(fù)合材料構(gòu)件成型模具在熱壓罐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布問題進(jìn)行了仿真分析，與試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證了仿真方法的有效性。常見的復(fù)合材料制造過程仿真流程如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料制造過程仿真流程Fig.2 Flow chart of simulation for the manufacturing process of composites

總體來說，國(guó)外在復(fù)合材料成型仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用方面要領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的航空企業(yè)對(duì)于復(fù)合材料仿真技術(shù)的重視度也很高。在工程應(yīng)用方面，空客公司曾與荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)共同開展了復(fù)合材料大飛機(jī)構(gòu)件固化收縮變形（Deformation of Large Composites Planes by Cure Shrinkage）的課題，旨在針對(duì)A380在制造過程中的固化變形問題進(jìn)行研究，并尋找控制固化變形的有效方法[12]。許多仿真軟件在波音 747、787，空客 A380、A350的研制過程中都發(fā)揮了重要作用。

而國(guó)內(nèi)在復(fù)合材料仿真軟件的應(yīng)用上離發(fā)達(dá)國(guó)家還有不少差距，目前只有少量偏向于設(shè)計(jì)分析的軟件，而面向復(fù)合材料制造過程的軟件應(yīng)用還有待加強(qiáng)。國(guó)內(nèi)在仿真技術(shù)及理論研究方面也多以跟蹤國(guó)外理論研究為主。南京電子技術(shù)研究所利用Laminate Tools軟件，結(jié)合通用軟件Patran/Nastran對(duì)某機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料天線罩進(jìn)行了模擬仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重優(yōu)化，為復(fù)合材料設(shè)計(jì)、分析、制造一體化提供了參考[13]。李彩林等[14]采用PAMRTM軟件對(duì)盒形件的RTM充模過程進(jìn)行了仿真，并尋找基體材料與增強(qiáng)材料的最佳組合，從而有效減少設(shè)計(jì)時(shí)間、縮短研制周期。北京航空制造工程研究所利用PAM-RTM軟件對(duì)VARI成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)而優(yōu)化了樹脂流動(dòng)布局，縮短部件研制周期[15]。北京航空航天大學(xué)和上海飛機(jī)制造有限公司聯(lián)合開展了針對(duì)各類復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件，如平板結(jié)構(gòu)、T型加筋結(jié)構(gòu)件的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)以及固化變形仿真等研究[16]。西北工業(yè)大學(xué)陜西省數(shù)字化制造工程技術(shù)研究中心與中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司聯(lián)合開展了復(fù)合材料固化變形仿真技術(shù)的研究，研究中采用小尺寸試驗(yàn)件固化變形模擬與實(shí)際零件成型仿真相結(jié)合的方法。最終利用通用有限元軟件ABAQUS，結(jié)合該軟件的二次開發(fā)功能進(jìn)行了飛機(jī)復(fù)合材料整流罩的固化變形仿真模擬，并采用激光掃描設(shè)備進(jìn)行了整流罩固化變形試驗(yàn)量分析，結(jié)果如圖3所示，比對(duì)情況表明仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。從上述文獻(xiàn)可以看出，目前國(guó)內(nèi)在復(fù)合材料制造仿真技術(shù)方面主要的研究對(duì)象還是平板或U型等幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、規(guī)則的構(gòu)件，應(yīng)用到工程實(shí)際問題的還很少。

圖3 復(fù)合材料整流罩試驗(yàn)及仿真分析結(jié)果Fig.3 Simulation and experimental results for curing deformation of composites cowling

仿真分析的難點(diǎn)

要準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料制造過程的仿真，需要盡可能地將復(fù)合材料成型過程中的影響因素考慮在內(nèi)，而復(fù)合材料成型過程中伴隨著一系列物理化學(xué)變化，包括溫度傳遞、樹脂流動(dòng)及固化、化學(xué)收縮、材料熱脹冷縮等，并且這些變化之間又存在相互耦合影響的關(guān)系。因此，復(fù)合材料制造仿真建模存在模型復(fù)雜、影響因素多，物理場(chǎng)之間耦合性較強(qiáng)以及材料屬性時(shí)變等特點(diǎn)。

1 復(fù)合材料固化過程溫度場(chǎng)分析

復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中溫度場(chǎng)研究一直是復(fù)合材料構(gòu)件制造中的一個(gè)主要研究熱點(diǎn)。以熱壓罐成型工藝為例，構(gòu)件在熱壓罐內(nèi)存在著復(fù)雜的溫度傳遞過程，包括罐內(nèi)氣體與模具、復(fù)合材料封裝體的熱量傳遞、模具與復(fù)合材料封裝體之間的熱量傳遞以及樹脂自身的固化反應(yīng)放熱。針對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件溫度分布，研究人員多采用傅里葉熱傳導(dǎo)控制方程來描述復(fù)合材料的傳熱過程，并對(duì)平板類、L型、圓柱形等典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了研究，取得了很好的效果。Loos等[17]采用模塊化的方法建立了復(fù)合材料固化過程的一維數(shù)值模型，并利用有限差分法對(duì)模型進(jìn)行求解。針對(duì)AS4/3501-6復(fù)合材料層合板的固化過程研究了其內(nèi)部溫度、固化度以及殘余應(yīng)力的分布和變化規(guī)律。Costa等[18]進(jìn)一步建立了包含熱傳導(dǎo)與樹脂流動(dòng)的復(fù)合材料三維固化模型。研究結(jié)果表明厚截面層合板的固化程度與固化壓力以及樹脂的排膠行為密切相關(guān)。Li等[19]采用有限元軟件ABAQUS針對(duì)T型復(fù)合材料構(gòu)件的整體成型過程進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬研究，并利用溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分別研究了共固化、共膠接和二次膠接3種不同成型工藝下T型制件的固化變形情況。施飛等[20]針對(duì)樹脂傳遞成型過程中的溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)不僅影響了樹脂浸潤(rùn)多孔介質(zhì)的過程，反過來多孔介質(zhì)的孔隙率也影響了溫度場(chǎng)分布情況。元振毅等[10]建立了基于材料性能時(shí)變特性的復(fù)合材料多場(chǎng)耦合仿真模型，模型中不僅考慮了樹脂流動(dòng)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，還進(jìn)一步考慮了材料性能隨溫度、固化度的變化。仿真結(jié)果表明，在針對(duì)厚尺寸層板的溫度場(chǎng)仿真研究中，材料性能的時(shí)變特性不應(yīng)被忽略。

（1）建立考慮樹脂流動(dòng)的復(fù)合材料溫度場(chǎng)模型。復(fù)合材料的固化過程是一個(gè)多場(chǎng)耦合的過程，現(xiàn)有的仿真模型主要針對(duì)的是熱-化學(xué)耦合，而忽略了樹脂流動(dòng)[10,21]。隨著復(fù)合材料溫度的升高，樹脂黏度會(huì)逐漸減小，在外部壓力的作用下，復(fù)合材料內(nèi)部的樹脂會(huì)發(fā)生流動(dòng)，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部纖維體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化。纖維體積分?jǐn)?shù)的變化將影響材料的熱力學(xué)性能以及固化過程的復(fù)合材料放熱量。在計(jì)算復(fù)合材料內(nèi)部樹脂放熱時(shí)需要考慮這種纖維體積分?jǐn)?shù)變化的影響。同時(shí)，纖維體積含量分布不均也是復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力的重要原因之一，因?yàn)闃渲棵芗膮^(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生更多的收縮變形。因此，在計(jì)算復(fù)合材料溫度場(chǎng)分布時(shí)需建立熱-化學(xué)-流動(dòng)的多場(chǎng)耦合模型。

（2）建立考慮輔助材料影響的復(fù)合材料溫度場(chǎng)模型[22]。如在使用熱壓罐法成型復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，必須使用輔助材料，包括脫模材料、擋條（限制樹脂在側(cè)面流動(dòng)）、吸膠層、透氣材料、真空袋以及密封膠帶等。這些材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容，并且對(duì)于樹脂流動(dòng)排膠也有影響，在仿真模型中考慮輔助材料的影響將有助于提高仿真模型的準(zhǔn)確性。

（3）建立考慮材料參數(shù)時(shí)變特性的復(fù)合材料溫度場(chǎng)模型[10,23]。在實(shí)際過程中，樹脂、纖維以及輔助材料的熱力學(xué)參數(shù)，如密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)等大多是與溫度、固化度以及樹脂含量相關(guān)的。目前多數(shù)仿真模型為了簡(jiǎn)化模型、減少計(jì)算工作量，將這些參數(shù)當(dāng)作常數(shù)處理，實(shí)際上在仿真模型中考慮這些材料參數(shù)的時(shí)變特性將提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（4）建立考慮熱壓罐內(nèi)氣體傳熱過程的復(fù)合材料溫度場(chǎng)模型?，F(xiàn)有仿真模型中，往往熱壓罐內(nèi)溫度場(chǎng)與復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算是分開的。熱壓罐內(nèi)溫度場(chǎng)通常采用流體力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，而復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)則利用傅里葉熱傳導(dǎo)定律結(jié)合能量平衡關(guān)系來計(jì)算。而在實(shí)際制造過程中，二者溫度場(chǎng)是互相影響的。但由于網(wǎng)格劃分問題與計(jì)算精度問題，很難把二者有機(jī)統(tǒng)一在一個(gè)仿真模型中。如何在保證模擬準(zhǔn)確度的前提下提高計(jì)算效率是目前溫度場(chǎng)建模仿真需要考慮的問題之一。

2 復(fù)合材料固化變形分析

對(duì)于復(fù)合材料成型，一個(gè)很重要的問題就是控制零件的回彈變形情況。復(fù)合材料的熱脹冷縮效應(yīng)、樹脂固化收縮以及模具作用是復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要因素，除此之外，溫度或固化不均勻、纖維體積分?jǐn)?shù)在厚度方向上的差異也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生固化變形。如何采用數(shù)值仿真的方法建立固化回彈變形預(yù)測(cè)模型，找到復(fù)合材料回彈變形的主要因素就成為了目前復(fù)合材料數(shù)字化、低成本的主要發(fā)展方向。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，復(fù)合材料固化變形仿真模型由最初的一維模型，發(fā)展到現(xiàn)在的三維模型，模擬對(duì)象也由簡(jiǎn)單的平板類、L型構(gòu)件發(fā)展到復(fù)雜構(gòu)件，為復(fù)合材料模具修正提供了重要參考。在固化殘余應(yīng)力的理論研究中，通常采用的材料本構(gòu)模型有彈性模型/線彈性模型[24-25]和粘彈性模型[26-28]。從學(xué)者研究情況來看，采用粘彈性模型計(jì)算工作量大、建模過程復(fù)雜，但計(jì)算結(jié)果的精確性要更好。Yoon等[29]研究得出，除了材料的熱脹冷縮效應(yīng)外，樹脂基體的化學(xué)收縮效應(yīng)對(duì)復(fù)合材料制件固化變形的影響同樣不可以忽略。Twigg等[30]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使采用對(duì)稱鋪層的平板類復(fù)合材料制件，其脫模后同樣會(huì)發(fā)生變形，并認(rèn)為模具與復(fù)合材料之間熱膨脹系數(shù)的差異所導(dǎo)致的相互作用是該變形產(chǎn)生的主要因素。隨后學(xué)者們針對(duì)該模具-制件相互作用進(jìn)行了深入研究[30-34]。

除上述因素外，制件厚度方向上的纖維體積分?jǐn)?shù)不均[35]同樣對(duì)固化變形會(huì)產(chǎn)生影響，尤其是對(duì)于L型或C型制件。目前，學(xué)者們針對(duì)復(fù)合材料固化變形研究雖然取得了不少成果，但仍存在部分亟需解決的問題。

（1）鋪層誤差的影響。通常來講，復(fù)合材料的橫向熱膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其縱向熱膨脹系數(shù)，而彈性模量又剛好相反。因而，溫度改變所引起的熱膨脹效應(yīng)與鋪層方式密切相關(guān)，如非對(duì)稱鋪層層合板產(chǎn)生變形的主要原因就是這種材料的各向異性。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鋪層方式雖然設(shè)計(jì)為對(duì)稱鋪層，但由于手工操作等原因往往會(huì)引入鋪層誤差，從而導(dǎo)致固化變形。目前的仿真模型很難考慮這種鋪層誤差所帶來的影響。

（2）材料參數(shù)庫(kù)的建立與完善。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于復(fù)合材料性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立還不夠重視。針對(duì)纖維和樹脂的基本性能測(cè)試還沒有完成，建立仿真模型時(shí)，如密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、彈性模量、剪切模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、樹脂黏度變化曲線、固化動(dòng)力學(xué)反應(yīng)系數(shù)、樹脂固化放熱量、纖維滲透率、樹脂化學(xué)收縮系數(shù)等參量還是以參照國(guó)外已有復(fù)合材料數(shù)據(jù)為主，這并不能反映所選材料的真實(shí)性能。不僅如此，很多參數(shù)在固化過程中是隨溫度、固化度變化的，如何準(zhǔn)確把握這些參數(shù)的變化規(guī)律對(duì)仿真模型計(jì)算準(zhǔn)確性至關(guān)重要。另外這些數(shù)據(jù)的測(cè)試還需要先進(jìn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及足夠的試驗(yàn)量作為保障。

（3）模具對(duì)固化變形影響機(jī)理的研究[31，34，36]。一般來講，金屬模具的線膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)大于復(fù)合材料沿纖維方向的熱膨脹系數(shù)。固化過程中，復(fù)合材料鋪層件在壓力的作用下緊貼在模具上，隨著溫度的升高，模具和復(fù)合材料將發(fā)生熱膨脹，由于二者熱膨脹系數(shù)的不同，因此模具與復(fù)合材料構(gòu)件之間將產(chǎn)生相互作用，其結(jié)果是模具承受壓應(yīng)力而構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于此時(shí)復(fù)合材料剪切模量很低，該相互作用將導(dǎo)致沿構(gòu)件厚度方向上形成一定的應(yīng)力梯度。該應(yīng)力隨著樹脂的固化而殘留在構(gòu)件內(nèi)部。目前針對(duì)這種模具-復(fù)合材料之間相互作用的研究還并不深入，研究模型過于簡(jiǎn)單。

（4）復(fù)合材料本構(gòu)方程研究[37]。樹脂在固化過程中其力學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化，由最初的純粘態(tài)到粘彈態(tài)到固化后的彈性狀態(tài)。大多數(shù)仿真模型中樹脂被認(rèn)為是完全彈性或者線彈性，這并不符合實(shí)際情況。而采用粘彈性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，雖然模型更加接近真實(shí)情況，但模型的復(fù)雜性也隨之增加，影響計(jì)算效率。如何在仿真模型中考慮樹脂粘彈性效應(yīng)對(duì)固化變形的影響并進(jìn)一步提升計(jì)算效率是仿真模型中需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。

（5）固化變形影響因素敏感性分析。從目前發(fā)表的研究結(jié)果看來，大多數(shù)仿真模型主要集中于某一種或幾種因素進(jìn)行考慮，并沒有將影響復(fù)合材料成型質(zhì)量的所有因素考慮在內(nèi)或者進(jìn)行相關(guān)的影響權(quán)重分析。而考慮所有影響因素后，雖然模型計(jì)算精度提高，但模型又過于繁瑣復(fù)雜、計(jì)算量巨大尤其是對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件更是如此。不同的復(fù)合材料成型工藝、不同結(jié)構(gòu)層次的復(fù)合材料構(gòu)件，其固化變形的主要影響因素不同。因此需要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)層次的復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行固化變形影響因素權(quán)重分析和敏感性分析，從而在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)針對(duì)不同的成型工藝和結(jié)構(gòu)件忽略次要因素，保留主要因素，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，這將有利于仿真模型在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)發(fā)揮更大的作用。

結(jié)束語

隨著復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用比重的增大以及設(shè)計(jì)制造一體化要求的提出，針對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件制造過程中各種問題的研究已成為航空復(fù)合材料研究熱點(diǎn)之一。采用數(shù)值模擬的方法針對(duì)復(fù)合材料制造過程進(jìn)行仿真分析是降低復(fù)合材料構(gòu)件制造成本、縮短研制周期的有效途徑。

隨著國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)對(duì)于虛擬仿真技術(shù)的重視以及人才培養(yǎng)力度的加大，仿真技術(shù)今后必將在航空復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。目前現(xiàn)有的復(fù)合材料仿真模型仍存在不足，如何完善仿真模型、提高模擬精度，使其能更加有效地應(yīng)用到復(fù)合材料構(gòu)件實(shí)際生產(chǎn)中是今后國(guó)內(nèi)外學(xué)者需要研究的重點(diǎn)問題。

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