袁鐵軍 周來(lái)水 葛友華

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

先進(jìn)復(fù)合材料誕生于20世紀(jì)60年代末，因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐腐蝕、耐疲勞、隱身性好等獨(dú)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(gè)國(guó)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(jìn)的飛機(jī)無(wú)不與先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)緊密聯(lián)系在一起，是一項(xiàng)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(lái)越大，所需的熱壓罐尺寸跟著加大，成本問(wèn)題也隨之突出，特別是制造成本，這是制約它進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的主要障礙之一。以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制訂低成本復(fù)合材料發(fā)展研究計(jì)劃，不斷完善復(fù)合材料層壓板真空袋—熱壓罐制造工藝，開(kāi)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(jìn)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(cè)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(bǔ)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(bǔ)、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(duì)飛機(jī)低成本高效率的維護(hù)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(cè)的理論模型、求解模型的算法、研究對(duì)象，并探討未來(lái)變形預(yù)測(cè)發(fā)展及其應(yīng)用的趨勢(shì)。

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(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為模具的翹曲變形對(duì)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(shù)脂的流動(dòng)和固化影響構(gòu)件的變形，考慮這些因素會(huì)使得預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確。氣孔含量的增加會(huì)降低復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分布的梯度，進(jìn)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(duì)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(duì)熱壓罐空氣循環(huán)系統(tǒng)中，空氣的流動(dòng)影響較大，若工裝支撐結(jié)構(gòu)中，通風(fēng)口開(kāi)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(guò)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(duì)固化變形產(chǎn)生很大的影響［11－12］?？偟膩?lái)說(shuō)，影響構(gòu)件成型變形的因素很多，大部分已經(jīng)在研究時(shí)被考慮到，但仍然有些因素對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有影響，由于各種原因還沒(méi)有被充分研究，比如工裝結(jié)構(gòu)對(duì)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(cè)方法

Johnston A提出了固化硬化瞬間線彈性基本模型來(lái)預(yù)測(cè)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(jì)算資源對(duì)大型復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行檢查［13］，具體流程原理如圖 1。J.M.Svanberg針對(duì)回彈現(xiàn)象指出固化過(guò)程對(duì)回彈的影響，要建立精確地預(yù)測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件變形的模型，必須考慮樹(shù)脂不同狀態(tài)時(shí)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(lái)預(yù)測(cè)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(xiě)的專門用戶子程序相比，計(jì)算時(shí)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(lái)預(yù)測(cè)復(fù)合材料成型構(gòu)件的變形量，按照以下6步來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)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(yùn)行二維結(jié)構(gòu)的處理模型;③研究并驗(yàn)證二維模型的預(yù)測(cè)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(cè)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(shí)間來(lái)計(jì)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(xiě)的殼單元與實(shí)體單元相接合的各向異性的粘彈性模型，計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相比該模型預(yù)測(cè)的數(shù)值偏高［15］。Abdul Rahim Ahamed Arafath等人提出閉式解決方案來(lái)預(yù)測(cè)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(wèn)題的物理本質(zhì)，且速度快，不需要大量時(shí)間劃分和優(yōu)化網(wǎng)格，能夠提供物理的視覺(jué)來(lái)洞察根本的變形機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)固化變形的預(yù)測(cè)。該模型考慮了材料的各向異性熱應(yīng)變、溫濕膨脹、樹(shù)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(shuō)明使用瞬間變硬固化線彈性模型的時(shí)機(jī)，確定了該方法的有效范圍和精度［18］。Nuri Ersoy等人建立簡(jiǎn)化的模型，該模型假設(shè)構(gòu)件在某一時(shí)刻玻璃化，突然全部從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)為玻璃態(tài)，通過(guò)有限元軟件根據(jù)分兩步來(lái)預(yù)測(cè)構(gòu)件成型變形。該法既有較好的精度，又沒(méi)有完全粘彈性模型的復(fù)雜計(jì)算和大量數(shù)據(jù)要求，但該模型沒(méi)有考慮固化過(guò)程、模具與構(gòu)件的相互作用［19］。X.Zeng等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬深入研究了模具與構(gòu)件的相互作用機(jī)理，建立摩擦子模型完善了理論模型，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證［20］。

整體上來(lái)說(shuō)，模型從線彈性向非線性粘彈性發(fā)展，越來(lái)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(jī)械應(yīng)力及應(yīng)變模型、摩擦模型。建立模型時(shí)力求實(shí)現(xiàn)精度與計(jì)算時(shí)間的統(tǒng)一。

3 變形預(yù)測(cè)應(yīng)用

變形預(yù)測(cè)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(cè)的結(jié)果，在工裝上進(jìn)行針對(duì)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(duì)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(shí)要考慮對(duì)模具剛度的影響［20］。李桂東建立了基于構(gòu)件型面節(jié)點(diǎn)變形的工裝型面補(bǔ)償模型，通過(guò)新的構(gòu)件型面設(shè)計(jì)新的工裝型面，重新設(shè)計(jì)工裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)行變形預(yù)測(cè)，原理如圖2所示。該方法已經(jīng)用于國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠的工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)［10］。

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

4 變形預(yù)測(cè)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(duì)象主要針對(duì)幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)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(duì)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(lái)研究展望

(1)建立既準(zhǔn)確又實(shí)用的預(yù)測(cè)模型仍然是未來(lái)研究的主要方向。復(fù)合材料構(gòu)件越來(lái)越大，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力是一個(gè)挑戰(zhàn)，模型必須在理論上完整科學(xué)，還得可以方便簡(jiǎn)化計(jì)算。

(2)將針對(duì)某一類典型結(jié)構(gòu)的構(gòu)件分別開(kāi)展研究，研究對(duì)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(duì)變形影響重大，需分類開(kāi)展深入的研究，便于提高預(yù)測(cè)精度和增強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)。

(3)對(duì)熱壓罐成型過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行更詳細(xì)的研究。為了提高預(yù)測(cè)精度，必然會(huì)考慮很多以前忽略的因素，這些因素對(duì)模具、構(gòu)件、熱壓罐溫度場(chǎng)有較大影響，比如模具支撐結(jié)構(gòu)對(duì)熱壓罐系統(tǒng)溫度均勻性的影響(空氣動(dòng)力學(xué)，熱傳導(dǎo))。

(4)對(duì)模型的邊界條件，研究得會(huì)更充分。這對(duì)提高預(yù)測(cè)精度也有較大影響。

(5)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件開(kāi)發(fā)與通用CAD軟件結(jié)合的產(chǎn)品程序包。該程序包可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件幾何參數(shù)、成型參數(shù)、工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件的變形預(yù)測(cè)及應(yīng)用的相關(guān)研究進(jìn)行了分析與總結(jié)，并展望了未來(lái)主要研究方向。在此基礎(chǔ)上，提出需要分別針對(duì)某一類典型構(gòu)件進(jìn)行深入研究，建立理論完善、計(jì)算方便的實(shí)用模型，對(duì)邊界條件要進(jìn)行深入的研究，對(duì)工裝結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行深入研究，加強(qiáng)研究成果的軟件化開(kāi)發(fā)，對(duì)數(shù)字化快速設(shè)計(jì)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。

［1］陳功.復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化制造若干支撐技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

［2］Andrew A Johnston.An integrated model of the development of process－induced deformation in autoclave processing of composite structure［D］.Canada:The University of British Columbia，1997.

［3］蔡聞峰.樹(shù)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.

［4］郝建偉，等.先進(jìn)復(fù)合材料主要制造工藝和專用設(shè)備［J］.航空制造技術(shù)，2008(10):40 －45.

［5］Chen Song Dong.Dimension variation predication and control for composites［D］.USA:The Florida state university，2003.

［6］J Magnus Svanberg.Predication of manufacturing induced shape distortions－h(huán)igh performance thermoses composites［D］.Sweden:Lulea U-niversity of technology，2002.

［7］岳廣全，等.熱壓罐成型工藝所用框架式模具的變形分析［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009(5):148－152.

［8］李君，等.復(fù)合材料T型整體化結(jié)構(gòu)固化翹曲變形模擬.復(fù)合材料學(xué)報(bào)［J］，2009(1):156 －161.

［9］X Zeng.Role of tool－ part interaction in process－induced warpage of autoclave－ manufactured composite structures［J］.Composite，Part A，2010(41):1174－1183.

［10］李桂東.復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工裝設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2010.

［11］Twigg G，et al.Tool－ part interaction in composites processing.Part I:experimental investigation and analytical model［J］.Composites:Part A，2004，35(1):121 －133.

［12］Twigg G，et al.Tool－part interaction in composites processing.Part II:numerical modelling［J］.Composites:Part A，2004，35(1):135－141.

［13］Johnston A，et al.A plane strain model for process induced deformation of laminated composite structures［J］.Compos Mater，2001，35(16):1436－1469.

［14］G Fernlund，et al.Finite element based prediction of process－ induced deformation of autoclaved composite structures using 2D process analysis and 3D structural analysis［J］.Composite Structures，2003，62(2):223－234.

［15］S Clifford，et al.Thermoviscoelastic anisotropic analysis of process induced residual stresses and dimensional stability in real polymer matrix composite components［J］.Composites:Part A，2006 ，37(4):538 －545.

［16］Abdul Rahim Ahamed Arafath，et al.Closed－form solution for process－induced stresses and deformation of a composite part cured on a solid tool:Part I－ Flat geometries［J］.Composites:Part A，2008，39(7):1106－1117.

［17］Li Jun，et al.Thermo－ viscoelastic analysis of the integrated T －shaped composite structures［J］.Composites Science and Technology，2010，70(10):1497 －1503.

［18］Nima Zobeiry，et al.Computationally efficient pseudo － viscoelastic models for evaluation of residual stresses in thermoset polymer composites during cure［J］.Composites:Part A，2010，41(2):247 －256.

［19］Nuri Ersoy，et al.Modelling of the spring － in phenomenon in curved parts made of a thermosetting composite［J］.Composites:Part A，2010，41(3):410 －418.

［20］岳廣全.整體化復(fù)合材料壁板結(jié)構(gòu)固化變形模擬及控制方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［21］Chensong Dong.A parametric study on the process－ induced deformation of composite T － stiffener structures［J］.Composites:Part A，2010，41(4):515 －520.