基于CATIA的RTM復(fù)合材料墻式結(jié)構(gòu)裝配分層控制研究

曹碧宇, 周 大， 易成君

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610092)

隨著先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣，其應(yīng)用部位已由非承力部件和次承力部件發(fā)展到大型化、整體化和低成本化的主承力部件，例如方向舵、艙門、機(jī)翼翼盒、飛機(jī)壁板[1]。近年來，以各種類型加筋壁板、RTM整體盒式結(jié)構(gòu)為代表的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因其具有結(jié)構(gòu)隱身、全壽命服役和減重等優(yōu)勢，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

RTM成型復(fù)合材料界面性能直接影響RTM成型復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能[2]，RTM零件的界面性能與傳統(tǒng)的復(fù)合材料膠接件界面強(qiáng)度對比相對較弱，裝配時由于應(yīng)力作用，層間極易產(chǎn)生分層缺陷。國內(nèi)外學(xué)者對RTM成型工藝過程產(chǎn)生的缺陷機(jī)理分析、結(jié)構(gòu)化增韌層增韌和材料界面性質(zhì)等研究較多[3-5],在裝配領(lǐng)域僅對存在間隙時的加墊補(bǔ)償進(jìn)行了研究[6]，對RTM墻式結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的裝配研究較少。因此，開展RTM墻式結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的裝配分層控制技術(shù)研究，找到分層控制的最佳方案，對產(chǎn)品質(zhì)量提升具有重大意義。

RTM成型工藝的主要原理是在模腔中鋪放按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封和緊固以及注射劑排氣系統(tǒng)，以保證樹脂流動流暢，通過加熱固化形成整體結(jié)構(gòu)零件。RTM工藝是航天、航空先進(jìn)復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，能夠適應(yīng)航天航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的小批量多品種生產(chǎn)特點，因而愈來愈受到重視[7-9]。

RTM復(fù)合材料墻式結(jié)構(gòu)裝配特點為金屬零件套合、抽釘連接。因熱工藝成型質(zhì)量不穩(wěn)定，復(fù)合材料構(gòu)件成型精度與金屬材料相比，其尺寸誤差和形狀誤差大，在進(jìn)行裝配時配合面之間可能產(chǎn)生間隙或干涉[10]。如果局部干涉，強(qiáng)迫裝配會使復(fù)材內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力，如果存在間隙，強(qiáng)迫裝配將導(dǎo)致復(fù)材零件發(fā)生變形[11-14]，最終使內(nèi)應(yīng)力傳遞到墻與蒙皮結(jié)合界面導(dǎo)致分層。為了識別裝配應(yīng)力對結(jié)構(gòu)分層的影響，筆者通過模擬實際裝配過程，減少試錯，通過改變裝配應(yīng)力模擬結(jié)構(gòu)的變形，找到控制變形的最佳方案。實際應(yīng)用驗證了方案的有效性，使問題得到有效解決。

1 試驗內(nèi)容及方法

針對RTM墻式結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的裝配分層問題，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，選擇局部關(guān)鍵特征建立分析模型，對模型進(jìn)行裝配過程仿真，模擬套合裝配過程中裝配件對上下蒙皮內(nèi)表面的應(yīng)力作用。通過多組加載試驗，仿真分析得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化和應(yīng)力分布，針對仿真結(jié)果開展分層控制技術(shù)研究，再次進(jìn)行應(yīng)力分析模擬，找到最佳控制方案，并通過產(chǎn)品實際應(yīng)用，對方案進(jìn)行驗證，得出研究結(jié)論。

1.1 有限元模型的建立

根據(jù)RTM墻式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特點，選取結(jié)構(gòu)局部特征通過CATIA建立分析模型，模型包括上蒙皮、下蒙皮、結(jié)構(gòu)墻，由于RTM結(jié)構(gòu)上下蒙皮與墻通過共固化成型，因此模型建立為整體零件，模型尺寸為114 mm×87 mm×45 mm，如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 參數(shù)設(shè)置與分析

RTM結(jié)構(gòu)件為整體零件，因此對分析模型設(shè)置同一材料參數(shù)，根據(jù)RTM墻式結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能參數(shù)，在CATIA中設(shè)置材料參數(shù)如表1所示，進(jìn)入CATIA中“分析與模擬模塊”→“Generative Structural Analysis”，進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析模塊，在彈出的新分析工況列表中選擇“Static Analysis”，選擇“Octree Tetrahedron Mesher”進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

表1 材料參數(shù)

裝配過程中金屬件套合進(jìn)入盒式結(jié)構(gòu)后，如果存在干涉，應(yīng)力會直接作用于上下蒙皮內(nèi)表面，工字墻在裝配過程中基本是沒有位移的，因此將工字墻的腹板面模擬設(shè)置為固定(clamp)，在墻端面區(qū)域的上下蒙皮內(nèi)表面施加均布載荷，加載情況如圖2所示。

圖2 加載示意圖

經(jīng)過軟件計算分析得出應(yīng)力分布圖如圖3(a)所示，從圖3(a)中可以看出裝配應(yīng)力較大的區(qū)域位于墻端頭靠近上下蒙皮的區(qū)域，實際產(chǎn)品分層缺陷也位于該區(qū)域(如圖3(b))，說明分析模型與實物裝配情況相符，可以基于模型進(jìn)一步開展分析。

圖3 加載示意圖

2 分析與驗證

通過有限元分析得出，模型中應(yīng)力集中分布于墻端頭與蒙皮的結(jié)合界面，墻端頭區(qū)域在裝配過程中受應(yīng)力作用的影響較大，該區(qū)域受裝配應(yīng)力作用后極易產(chǎn)生分層缺陷。因此，考慮通過減小應(yīng)力和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性兩個方面開展研究與分析。先進(jìn)行模型的裝配應(yīng)力模擬分析，再根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步研究應(yīng)力控制方案，選擇最佳方案實施實物驗證，得出研究結(jié)論。

2.1 裝配應(yīng)力分析

下面研究裝配應(yīng)力的大小對結(jié)構(gòu)的影響，通過改變加載參數(shù)對模型進(jìn)行應(yīng)力分析，根據(jù)材料力學(xué)公式:

(1)

式中：σ為單位面積上所承受的附加內(nèi)力(N/m2)；F為施加載荷(N)；A為受力面積(m2)。

分析模型受力面積A保持不變，通過改變F來模擬裝配過程盒式結(jié)構(gòu)內(nèi)表面受力的變化，即通過改變F值模擬內(nèi)部骨架因容差分配導(dǎo)致的裝配干涉，干涉量越大，裝配時安裝到理論位置后內(nèi)表面受力越大。反之，干涉量越小，內(nèi)表面受力越小，針對模型內(nèi)表面分別施加載荷如圖4所示。

圖4 不同載荷下模型應(yīng)力變化情況

通過圖4(e)中的分析結(jié)果可以得出：施加的載荷越大，模型的最大應(yīng)力值越大。通過圖4(a)～圖4(d)可以看出，施加載荷于最大應(yīng)力之間呈y=42.06x的線性關(guān)系，施加的載荷越大，結(jié)構(gòu)變形越大，從而對產(chǎn)品分層的影響越大，因此得出裝配過程中應(yīng)盡量減小裝配應(yīng)力，避免強(qiáng)迫裝配。

2.2 應(yīng)力控制方案分析

2.2.1 利用產(chǎn)品連接件增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性

在模型上建立裝配連接釘孔，并按產(chǎn)品要求锪窩，通過對窩邊施加載荷，模擬加釘效果。通過釘孔周邊的顏色及對比標(biāo)塊可以看出釘孔周邊應(yīng)力數(shù)值較低，加釘對釘孔周邊的應(yīng)力控制起到了顯著效果，但對墻端頭區(qū)域及墻與蒙皮結(jié)合區(qū)并未起到實質(zhì)作用，如圖5所示。

圖5 加釘分析結(jié)果

2.2.2 安裝加強(qiáng)板

在墻端頭區(qū)域上下蒙皮外表面和墻內(nèi)表面安裝加強(qiáng)板，建立模型，通過在加強(qiáng)板上施加載荷進(jìn)行模擬，分析結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，墻端頭區(qū)域應(yīng)力向加強(qiáng)板周圍傳遞，避免集中于墻端頭中心區(qū)域，裝配應(yīng)力得到了有效轉(zhuǎn)移，加強(qiáng)板承受了部分載荷，分擔(dān)了部分墻與蒙皮上的應(yīng)力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)剛性。

圖6 安裝加強(qiáng)板分析結(jié)果

2.3 實驗驗證

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，可以通過減小裝配應(yīng)力，輔助增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性兩種方案來實現(xiàn)墻式結(jié)構(gòu)復(fù)材零件的分層控制，為最大限度保證產(chǎn)品質(zhì)量，采用兩種方案相結(jié)合的方式實施驗證。

① 通過采取零件容差調(diào)整，提高金屬骨架與復(fù)材蒙皮內(nèi)表面的匹配性，避免零件裝配過程發(fā)生干涉，從而降低裝配應(yīng)力對復(fù)材分層的影響。

② 通過在產(chǎn)品上安裝鋁板，使用工藝螺釘鎖緊墻與蒙皮，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛性增強(qiáng)，如圖7所示。

圖7 安裝加強(qiáng)板

經(jīng)過對分析結(jié)果的驗證及產(chǎn)品分層缺陷的數(shù)據(jù)采集，從圖8可以看出，改進(jìn)初期由于零件容差調(diào)整周期影響，依然存在少量分層缺陷，但后期兩種方案同時得到實施貫徹后，分層缺陷已穩(wěn)定于0，問題得到了解決。

圖8 零件分層缺陷數(shù)的時間序列圖

實驗結(jié)果表明，采用模擬分析得出的兩種方案能夠有效避免裝配應(yīng)力作用導(dǎo)致的分層缺陷：

① 減小裝配應(yīng)力，可以通過調(diào)整容差改進(jìn)裝配件之間的協(xié)調(diào)配合。

② 安裝加強(qiáng)板輔助增強(qiáng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能，有效避免墻式結(jié)構(gòu)復(fù)材零件裝配分層，使其滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒▽ρb配應(yīng)力進(jìn)行控制，可以有效避免墻式結(jié)構(gòu)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配過程中分層的問題，通過仿真分析和工藝驗證得到以下結(jié)論:

① 通過減小裝配應(yīng)力，可以有效預(yù)防墻式結(jié)構(gòu)受力分層，裝配過程可以通過容差優(yōu)化的方式實現(xiàn)。

② 通過安裝輔助加強(qiáng)裝置可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減輕應(yīng)力作用對復(fù)材分層的影響。

③ 必要時可采取兩種方案相結(jié)合的方式實施控制，以最大限度地保證產(chǎn)品質(zhì)量。