楊 濤，申艷嬌，楊素君，李志猛，牛雪娟

(1.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

?

預(yù)浸帶鋪放過(guò)程溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

楊 濤1，2，申艷嬌1，2，楊素君2，李志猛2，牛雪娟2

(1.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

為了測(cè)量鋪放過(guò)程中粘合點(diǎn)溫度峰值和復(fù)合材料的溫度場(chǎng)分布，構(gòu)建了基于LabVIEW的溫度場(chǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中預(yù)浸帶鋪放5層，熱風(fēng)槍穩(wěn)定溫度為200 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鋪放過(guò)程的進(jìn)行，每一層預(yù)浸帶的溫度曲線都出現(xiàn)多個(gè)峰值，且峰值逐漸降低，其中第1個(gè)峰值即為粘合點(diǎn)溫度，平均分別為80.1、91.4、101.3、113、108.3 ℃，比較可知，各層預(yù)浸帶粘合點(diǎn)溫度逐漸升高。同時(shí)，建立了預(yù)浸帶鋪放溫度場(chǎng)有限元模型，利用ANSYS中的生死單元以及循環(huán)加載技術(shù)模擬了預(yù)浸帶動(dòng)態(tài)鋪放過(guò)程。有限元模擬結(jié)果中的粘合點(diǎn)溫度分別為71.8、96.2、104.3、107.9、105.3 ℃，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比誤差可控制在10%以內(nèi)，且粘合點(diǎn)溫度越高，其準(zhǔn)確性越好。

預(yù)浸帶鋪放；溫度場(chǎng)分布；動(dòng)態(tài)仿真；實(shí)驗(yàn)

0 引言

復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)由于其生產(chǎn)效率高、質(zhì)量可靠性高、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在歐美部分發(fā)達(dá)國(guó)家已將此技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空大型復(fù)合材料構(gòu)件的制造中[1-5]。復(fù)合材料預(yù)浸帶在鋪放過(guò)程中，其內(nèi)部的溫度歷程非常復(fù)雜。預(yù)浸帶鋪放過(guò)程中不同的溫度梯度會(huì)引起復(fù)合材料內(nèi)部熱應(yīng)力和熱變形，進(jìn)而引起材料的早期破壞。鋪放過(guò)程中的溫度歷程對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型后的機(jī)械性能有很大的影響，因此研究復(fù)合材料預(yù)浸帶在鋪放過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布有重要意義。

目前，在國(guó)外已經(jīng)有很多關(guān)于復(fù)合材料鋪放過(guò)程中溫度場(chǎng)的研究。Grove[6]通過(guò)建立二維有限元模型研究了單一激光熱源下鋪帶過(guò)程的溫度歷程。Beyeler等[7]運(yùn)用二維有限差分技術(shù)分析了激光加熱鋪帶過(guò)程中的熱傳導(dǎo)各向異性現(xiàn)象。Trende A等[8]引入與溫度相關(guān)的參數(shù)，建立了熱塑性復(fù)合材料層合板的雙帶壓層過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。Guan X等[9]研究了熱空氣作為熱源時(shí)熱塑性復(fù)合材料鋪放過(guò)程中的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)合材料鋪放成型的研究工作主要集中在鋪放軌跡規(guī)劃[10]、軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)[11]、控制系統(tǒng)研制[12]和工藝參數(shù)優(yōu)化[13]等方面，對(duì)鋪放過(guò)程中溫度場(chǎng)的研究工作較少，且多集中在理論研究部分，缺少?gòu)?fù)合材料鋪放過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究。本課題組前期已經(jīng)進(jìn)行了復(fù)合材料鋪放過(guò)程中溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型建立及有限元仿真[14-15]。

本文通過(guò)自行構(gòu)建的溫度場(chǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)鋪放過(guò)程中粘合點(diǎn)溫度峰值和復(fù)合材料的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)建立溫度場(chǎng)有限元模型，對(duì)預(yù)浸帶鋪放過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析整個(gè)鋪放過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布和隨時(shí)間變化情況，并將有限元分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

實(shí)驗(yàn)材料為炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料預(yù)浸料(SK化工有限公司)，牌號(hào)為USN175B，其單層厚度為0.171 mm，寬為50 mm。

為進(jìn)行預(yù)浸帶的鋪放，自行搭建了預(yù)浸帶鋪放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲杠傳動(dòng)帶動(dòng)鋪放頭平穩(wěn)、勻速地移動(dòng)；熱風(fēng)槍和壓輥分別固定于鋪放頭上，通過(guò)調(diào)整固定熱風(fēng)槍的3個(gè)臂，從而自由調(diào)節(jié)熱風(fēng)槍的角度，同時(shí)壓輥位置也可進(jìn)行上下調(diào)整，從而調(diào)節(jié)壓輥施加于預(yù)浸帶的壓力；鋪放頭的上方安裝1個(gè)導(dǎo)向輥，通過(guò)調(diào)整導(dǎo)向輥和壓輥之間的垂直距離，可調(diào)節(jié)待鋪放預(yù)浸帶和基體之間的角度。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪放過(guò)程中各層預(yù)浸帶溫度的在線采集和存儲(chǔ)，構(gòu)建了實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由溫度采集部分、信號(hào)調(diào)理部分、信號(hào)采集部分和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分組成，如圖1。

由預(yù)浸帶鋪放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)組成溫度場(chǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪放過(guò)程中復(fù)合材料各個(gè)部分溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該溫度測(cè)量系統(tǒng)將LabVIEW 與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用E型熱電偶作為溫度測(cè)量元件，對(duì)預(yù)浸帶鋪放過(guò)程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，之后通過(guò)溫度變送器對(duì)熱電偶輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)溫度變送器輸出的電壓進(jìn)行采集，然后輸入到計(jì)算機(jī)，最后計(jì)算機(jī)通過(guò)LabVIEW程序?qū)㈦妷褐缔D(zhuǎn)換為溫度值，以便進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

圖1 鋪層溫度采集系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中鋪放的預(yù)浸帶為5層，每次鋪放長(zhǎng)度為500 mm，熱風(fēng)槍穩(wěn)定溫度為200 ℃，鋪放頭以10 mm/s的速度移動(dòng)，將5個(gè)熱電偶Tc1～Tc5分別放置在芯模與第1層預(yù)浸帶和每2層預(yù)浸帶界面之間的中點(diǎn)處，如圖2所示。當(dāng)對(duì)第1層預(yù)浸帶進(jìn)行鋪放時(shí)，首先把熱電偶放置在芯模表面，鋪放頭經(jīng)過(guò)時(shí)，熱電偶Tc1和芯模表面同時(shí)被熱風(fēng)槍加熱，因此Tc1的溫度隨著芯模表面一起變化，鋪放頭移走以后，熱電偶Tc1便被第1層預(yù)浸帶覆蓋。以此類推，當(dāng)5層預(yù)浸帶全部鋪放完畢時(shí)，5個(gè)熱電偶便全部被放置在復(fù)合材料基體內(nèi)部。這樣，鋪放過(guò)程中溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采集工作完成。之后，在LabVIEW平臺(tái)上進(jìn)行編程，對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，便于后續(xù)分析。

圖2 熱電偶放置示意圖

2 動(dòng)態(tài)仿真

為了與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，利用ANSYS建立溫度場(chǎng)有限元模型，對(duì)預(yù)浸帶鋪層過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，仿真中的各參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中的相同。

2.1 有限元模型及邊界條件

有限元模型中網(wǎng)格單元選用4節(jié)點(diǎn)平面單元Plane55，該單元具有二維熱傳導(dǎo)能力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有1個(gè)溫度自由度。創(chuàng)建高0.855 mm、長(zhǎng)500 mm的矩形作為復(fù)合材料，高10 mm、長(zhǎng)500 mm的矩形作為芯模。溫度場(chǎng)模型邊界條件為：整個(gè)模型的初始溫度為5 ℃；鋪層之前，芯模、預(yù)浸帶、輥?zhàn)?、芯模左右及下邊界溫度均相等，固定為室溫? ℃；輥?zhàn)右苿?dòng)速度恒定；受熱風(fēng)槍高溫?zé)釟饬鳑_擊區(qū)域?yàn)閷?duì)流熱傳導(dǎo)，表面處氣體溫度為200 ℃；未受高速氣流沖擊區(qū)域?yàn)樽匀粚?duì)流下的熱傳導(dǎo)和熱輻射混合傳熱，表面處氣體溫度為5 ℃。鋪放過(guò)程中熱風(fēng)槍噴出的高溫?zé)釟饬骷礊闊彷d荷，假設(shè)熱風(fēng)槍有效載荷長(zhǎng)度為10 mm。復(fù)合材料有限元模型和邊界條件如圖3。

圖3 有限元模型及邊界條件

2.2 動(dòng)態(tài)載荷及有限元分析

預(yù)浸帶鋪放是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，本文利用ANSYS中的生死單元以及循環(huán)加載技術(shù)解決復(fù)合材料自身形態(tài)和載荷分布變化的問(wèn)題，其流程如圖4。

圖4 求解流程圖

有限元模型建立后，對(duì)各節(jié)點(diǎn)施加5 ℃的初始溫度約束，并殺死所有待鋪放復(fù)合材料單元。從圖4可看出，每一次求解都要做以下處理：增加1個(gè)載荷步；復(fù)活即將進(jìn)行鋪放的復(fù)合材料單元，使鋪放過(guò)程中預(yù)浸帶被實(shí)時(shí)添加到基體中；刪除上一步中的載荷并在新的單元節(jié)點(diǎn)上重新施加熱載，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)載荷的施加。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用自行搭建的鋪放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行多次預(yù)浸帶鋪放實(shí)驗(yàn)，采用構(gòu)建的實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)對(duì)鋪放過(guò)程中的溫度進(jìn)行在線采集，圖5為3次溫度測(cè)量結(jié)果。

(a)第1次實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(b)第2次實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(c)第3次實(shí)驗(yàn)過(guò)程

從各圖中單層溫度曲線可看出，隨著鋪放過(guò)程的進(jìn)行，每層預(yù)浸帶的溫度曲線都出現(xiàn)多個(gè)峰值，且峰值逐漸降低，其中第1個(gè)峰值即為粘合點(diǎn)溫度；由各層之間的粘合點(diǎn)溫度比較可知，各層預(yù)浸帶粘合點(diǎn)溫度逐漸升高。其原因在于，對(duì)于任何一個(gè)熱電偶來(lái)說(shuō)，隨著鋪放層數(shù)的增加，不斷有新的預(yù)浸帶覆蓋其上，使得熱風(fēng)槍對(duì)其影響越來(lái)越小，因此其溫度上升程度越來(lái)越小，即單層溫度曲線峰值逐漸降低；同時(shí)，由于溫度的累計(jì)效應(yīng)，使得各層的溫度峰值即粘合點(diǎn)溫度逐漸上升。

3.2 仿真結(jié)果

通過(guò)ANSYS建立溫度場(chǎng)有限元模型，對(duì)預(yù)浸帶鋪層過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。在模型鋪放的每層中間處都取1個(gè)節(jié)點(diǎn)，記錄預(yù)浸帶鋪放過(guò)程中各層溫度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 有限元模擬鋪放過(guò)程中各層預(yù)浸帶溫度-時(shí)間曲線

圖7 有限元模擬對(duì)第5層進(jìn)行鋪放時(shí)各層預(yù)浸帶溫度-時(shí)間曲線

對(duì)圖6和圖7進(jìn)行分析，隨著鋪放過(guò)程的進(jìn)行，每層預(yù)浸帶的溫度曲線都出現(xiàn)多個(gè)峰值，且峰值逐漸降低；各層預(yù)浸帶粘合點(diǎn)溫度逐漸升高，由此可看出有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

有限元模擬結(jié)果中的粘合點(diǎn)溫度及3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中粘合點(diǎn)溫度分別列于表1。對(duì)有限元模擬結(jié)果和3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值進(jìn)行比較，可得各粘合點(diǎn)溫度之間的誤差分別為11.5%、5.0%、2.8%、4.8%、2.9%，平均誤差為5.4%。通過(guò)上述分析可以看出，本文構(gòu)建的炭纖維預(yù)浸帶自動(dòng)鋪放過(guò)程中溫度場(chǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)與有限元仿真有比較理想的吻合度，二者誤差可控制在10%以內(nèi)，且粘合點(diǎn)溫度越高，其準(zhǔn)確性越好。

表1 實(shí)驗(yàn)與有限元模擬粘合點(diǎn)溫度對(duì)比

4 結(jié)論

(1)利用自行搭建的鋪放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)浸帶鋪放實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中鋪放的預(yù)浸帶為5層，每次鋪放長(zhǎng)度為500 mm，熱風(fēng)槍穩(wěn)定溫度為200 ℃，鋪放頭以10 mm/s的速度移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鋪放過(guò)程的進(jìn)行，同層預(yù)浸帶的溫度曲線都出現(xiàn)多個(gè)峰值，但峰值逐漸降低。其原因在于，隨著鋪放層數(shù)的增加，不斷有新的預(yù)浸帶覆蓋其上，使得熱風(fēng)槍對(duì)其影響越來(lái)越小，因此其溫度上升程度越來(lái)越小，即單層溫度曲線峰值逐漸降低。

(2)每層預(yù)浸帶溫度曲線多個(gè)峰值中的第1個(gè)即為粘合點(diǎn)溫度，平均分別為80.1、91.4、101.3、113、108.3 ℃；由比較可知，各層預(yù)浸帶粘合點(diǎn)溫度逐漸升高。其原因在于，隨著鋪放層數(shù)的不斷增加，由于溫度的累計(jì)效應(yīng)，使得各層的溫度峰值即粘合點(diǎn)溫度逐漸上升。

(3)預(yù)浸帶鋪放是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，本文利用ANSYS中的生死單元以及循環(huán)加載技術(shù)解決復(fù)合材料自身形態(tài)和載荷分布變化的問(wèn)題，建立了溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)有限元模型。有限元模擬結(jié)果中的粘合點(diǎn)溫度分別為71.8、96.2、104.3、107.9、105.3 ℃，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比誤差可控制在10%以內(nèi)，且粘合點(diǎn)溫度越高，其準(zhǔn)確性越好。

[1] 杜善義,關(guān)志東.我國(guó)大型客機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)對(duì)策略思考[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2008,25(1):1-10.

[2] Grimshaw M N,Grant C G,Diza J M L.Advanced tech-nology tape laying for affordable manufacturing of large composite structures [C].M46th International SAMPE Symposium.2001:2484-2494.

[3] Timothy G G.Advanced composites manufacturing [M].New York:John Wiley & Sons,1997:32-83.

[4] Yoshiaki S,Tomohiro I.Low cost towpreg for automated fiber placement[J].SAMPE Journal,2004,40(2):66-69.

[5] Falchi A,Greffioz A,Ginbach E.Automatic laying of unidirectional prepreg tapes on compound surfaces[C]//M.European Conference on Composite Materials.1990:135.

[6] Grove S M.Thermal modelling of tape laying with continuous carbon fibre-reinforced thermoplastic[J].Composites,1988,19(5):367-375.

[7] Beyeler E P,Guceri S I.Thermal analysis of laser-assisted thermoplastic-matrix composite tape consolidation[J].Journal of Heat Transfer,1988,110(2):424-430.

[8] Trende A,?str?m B T,W?ginger A,et al.Modelling of heat transfer in thermoplastic composites manufacturing:double-belt press lamination[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,1999,30(8):935-943.

[9] Guan X,Pitchumani R.Modeling of spherulitic crystallization in thermoplastic tow-placement process:heat transfer analysis[J].Composites Science and Technology,2004,64(9):1123-1134.

[10] 戴維蓉,楊濤,王天琪,等.基于自由曲面構(gòu)件的纖維變剛度鋪放路徑規(guī)劃[J].固體火箭技術(shù),2014,37(2):262-266.

[11] 還大軍,李勇,吳海橋,等.復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)研究 (Ⅲ)——平面鋪帶 CAD/CAM 軟件開(kāi)發(fā)[J].宇航材料工藝,2007,37(1):47-50.

[12] 張建寶,文立偉,肖軍,等.自動(dòng)鋪帶成型壓力控制技術(shù)[J].航空學(xué)報(bào),2009,30(10):1973-1977.

[13] 黃文宗,孫容磊,張鵬,等.基于響應(yīng)曲面法的自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)分析與優(yōu)化[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2013 (4):I0037-I0044.

[14] 李志猛,楊濤,杜宇,等.熱塑性預(yù)浸絲鋪放過(guò)程中溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型及其仿真[J].宇航材料工藝,2012,42(3):20-23.

[15] Li Z,Yang T,Du Y.Dynamic finite element simulation and transient temperature field analysis in thermoplastic composite tape lay-up process[J].Journal of Thermoplastic Composite Materials,2013:0892705713486135.

(編輯：薛永利)

Dynamic finite element simulation and experimental study on heat transfer in prepreg placement process

YANG Tao1，2，SHEN Yan-jiao1，2，YANG Su-jun2，LI Zhi-meng2，NIU Xue-juan2

(1.Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory,Tianjin 300387,China；2.School of Mechanical Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

An online temperature measurement system based on LabVIEW was established,aiming at measuring the temperature peak at the nip-point and the temperature distribution in the prepreg placement process.In the experiment,5 layers of prepreg were laid-up and the stable temperature of hot air was 200℃.The experimental results show that along with the placement process,the temperature curves of every layer have several peaks decreasing gradually and the first peak was the nip-point temperature.The nip-point temperatures of each layer increased gradually,which were 80.1℃,91.4℃,101.3℃,113℃ and 108.3℃ respectively.In addition,a finite element model of temperature field was established and a dynamic finite element simulation for prepreg placement process was done by using the birth-death element strategy and the cyclic loading strategy in ANSYS.The nip-point temperatures in the finite element simulation results were 71.8℃,96.2℃,104.3℃,107.9℃ and 105.3℃ respectively.The error of the nip-point temperature between finite element simulation results and experimental results can be controlled within 10%,and the higher the nip-point temperature get,the more accurate the result become.

prepreg placement；temperature distribution；dynamic finite element simulation；experiment

2014-07-28；

2014-09-25。

國(guó)家自然科學(xué)基金(11372220)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(11JCZDJC23000)。

楊濤(1970—)，男，教授，研究方向?yàn)閺?fù)合材料成型技術(shù)與裝備。E-mail：yangtao@tjpu.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)03-0410-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.022