王 菲，楊 博，陳永清，陳 靜

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

隨著復(fù)合材料在飛機主承力構(gòu)件上的應(yīng)用逐漸加深，復(fù)合材料制件的尺寸越來越趨于大型化、整體化[1]，大尺寸、大厚度的零件越來越多，零件幾何尺寸的增大帶來了一系列新的問題，如熱膨脹、固化變形、制件厚度等因素對制件外形的影響變得不容忽視。梁類零件做為飛機結(jié)構(gòu)的骨架零件，裝配工序?qū)α侯惲慵庑纬叽缬休^高的要求，大型復(fù)合材料制件的成型精度成為其制造的關(guān)鍵技術(shù)。

目前復(fù)合材料制件成型精度的研究工作主要集中在對固化變形的預(yù)測和控制。賈麗杰[2]，唐占文等[3]提出了針對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)固化變形多層次預(yù)報技術(shù)。Sarrazin[4]、Andrew[5]、張紀(jì)奎[6]等研究了固化變形的影響因素。Jung[7]依據(jù)經(jīng)典層合板理論和有限元分析來預(yù)測回彈變形。黨嘉立[8]對復(fù)合材料角形材結(jié)構(gòu)的固化變形進(jìn)行了研究。陳曉靜[9]、李桂東等[10]提出了基于有限元方法的復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型變形預(yù)測方法和基于構(gòu)件型面節(jié)點變形的工裝型面補償算法，其缺點是模型復(fù)雜、輸入?yún)⒘慷?，并不方便直接指?dǎo)工程設(shè)計與制造。晏冬秀等[11]在大量工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出了模具熱膨脹補償和回彈角補償?shù)裙ぱb設(shè)計原則，GFG公司采用經(jīng)驗的方法在復(fù)合材料工形梁模具的緣條型面上加入修正值(約1°)以抵消構(gòu)件回彈[12]，韓培培等[13]依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗取1°回彈補償角以保證U形梁的尺寸精度，均依賴經(jīng)驗數(shù)據(jù)，很難給出準(zhǔn)確的回彈值。

本文以大尺寸大厚度復(fù)合材料U型梁為研究對象，從工程實際應(yīng)用出發(fā)，通過典型試驗，結(jié)合數(shù)值分析，系統(tǒng)研究影響大尺寸大厚度復(fù)合材料U型梁外形精度的因素，通過對主要影響因素的精確測算和合理控制，以實現(xiàn)對大尺寸大厚度復(fù)合材料梁外形的精確控制。

復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)介紹

某大尺寸復(fù)合材料梁截面為U形，長約7.8m，腹板高度約720mm，左、右緣條寬度120mm，厚度變化跨度大，從5.68mm到17.12mm，變厚臺階多達(dá)76處，變厚坡度大。使用的材料為高溫環(huán)氧增韌單向帶預(yù)浸料CCF300/BA9916-II和織物預(yù)浸料CF3031/BA9916-II兩種類型，其鋪層比例如表1所示。

表1 復(fù)合材料梁鋪層比例

復(fù)合材料梁外形的影響因素

影響復(fù)合材料梁型面的因素有模具的型面偏差、制件的厚度偏差、制件的熱膨脹偏差和制件的回彈變形等。復(fù)合材料梁制件的型面偏差計算公式為：

式中，Δ外為制件的外形偏差，Δ模具為模具的型面偏差，Δ熱膨脹為制件的熱膨脹偏差，Δ回為制件的回彈變形偏差，Δ厚度為制件的厚度偏差。

復(fù)合材料的成型模具通常為剛性模具，采用數(shù)控加工，誤差較小，型面偏差一般可控制在±0.15mm的范圍內(nèi)，因此，對制件型面的影響較小。

對大尺寸大厚度的梁類零件來說，制件的厚度偏差、熱膨脹偏差、回彈變形偏差對型面公差的影響較大，需要重點加以控制。

式（1）可簡化為：

復(fù)合材料梁外形的精確控制

1 熱膨脹控制

復(fù)合材料固化成型要經(jīng)歷一個升溫-降溫的溫度歷程，在此過程中如果復(fù)合材料制件與成型模具的熱膨脹量不一致時，最終成型的制件外形尺寸就會有偏差，零件幾何尺寸越大，這種熱膨脹不一致引起的制件外形偏差越大，必須要加以控制。

1.1 線性熱膨脹系數(shù)試驗測試

根據(jù)熱膨脹計算公式，熱膨脹量ΔL為：

式中，α為材料線性熱膨脹系數(shù)，L為制件尺寸，ΔT為固化溫度和室溫的差值。

由式（3）可知，不同材料的熱膨脹量主要由其線性熱膨脹系數(shù)決定。復(fù)合材料是一種可設(shè)計、多向異性的特殊材料，不同的纖維類型、鋪層角度，其線性熱膨脹系數(shù)也有所不同。復(fù)合材料制件的線性熱膨脹系數(shù)受材料、厚度、鋪層角度等因素綜合影響。

本文通過試驗方法來對典型鋪層、典型厚度的線性熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測試，選擇了6.34mm、8.66mm、10.6mm 3種典型厚度，選取梁典型鋪層方式，制作層壓板，測試了在10.6mm層壓板0°方向和90°方向的線性熱膨脹系數(shù)，試驗結(jié)果如圖1所示。分析圖1（a）和圖1（b）：

圖1 0°和90°方向Fig.1 Linear thermal expansion coefficients of 0° and 90°

（1）0°方向和90°方向的線性熱膨脹系數(shù)有著顯著的差異，在10.6mm厚度層最大相差8.98×10-6/℃，分析其鋪層比例，0°鋪層占比最大，而碳纖維的線性熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于環(huán)氧樹脂基體，所以0°方向的線性熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于90°方向。因此，在熱膨脹補償時0°方向和90°方向根據(jù)線性熱膨脹系數(shù)分別計算補償量；

（2）不同厚度層板的線性熱膨脹系數(shù)不同，10.6mm厚度層與6.34mm厚度層最大相差3.41×10-6/℃，分析不同厚度層板，其鋪層比例有所差異，導(dǎo)致線性熱膨脹系數(shù)的不同。因此，厚度變化較大的制件需要考慮不同厚度的綜合影響。

1.2 熱膨脹精確補償

復(fù)合材料的熱膨脹對制件外形的影響可以通過合理的工藝補償來予以消除。

根據(jù)熱膨脹計算公式，可推導(dǎo)出一個熱膨脹補償系數(shù)：

式中，μ為補償系數(shù)，αM為模具的熱膨脹系數(shù)，αp為復(fù)合材料制件的熱膨脹系數(shù)，ΔT為固化溫度和室溫的差值[13]。

根據(jù)試驗測試結(jié)果及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可得出熱膨脹偏差的精確工藝補償方法：沿鋪層的0°和90°兩個方向?qū)a(chǎn)品數(shù)模分別按相應(yīng)的補償系數(shù)進(jìn)行縮放處理，縮放中心點選取產(chǎn)品的質(zhì)量中心，根據(jù)縮放后的數(shù)模研制產(chǎn)品，即可消除熱膨脹偏差對制件外形的影響。

1.3 試驗驗證

按照上述工藝補償方法研制復(fù)合材料梁全尺寸件，測量了制件長度（即鋪層的0°方向）和寬度（即鋪層的90°方向）方向的實際尺寸，測量數(shù)據(jù)如表2所示。制件長度方向尺寸偏差0.48mm，寬度方向尺寸偏差-0.22～0.20mm，尺寸偏差較小。試驗結(jié)果表明，該補償方法可有效解決大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件的熱膨脹問題，使得大型制件外形的精確控制成為可能。

2 回彈變形控制

復(fù)合材料固化過程的熱效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致層板內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，在固化后應(yīng)力釋放引起零件變形，梁類結(jié)構(gòu)的緣條回彈變形尤其明顯，影響外形精度和裝配連接。對于大厚度的復(fù)合材料梁類構(gòu)件，由于其自身剛度較大，回彈變形難以矯正，對外形的影響極大。

復(fù)合材料的回彈變形量用回彈角來表征，回彈角的影響因素有材料參數(shù)、鋪層方式、制件厚度等，一般可通過試驗測試和模擬計算得到[13]。

2.1 回彈角試驗測試

針對U型梁結(jié)構(gòu)，選取其簡化模型，進(jìn)行L型層板回彈角測試試驗（圖2），試驗件尺寸為200mm×80mm×180mm。選擇第2種鋪層方式，制作了6.34mm、8.66mm、10.6mm 這3種不同厚度的對比試驗件，用三坐標(biāo)測量了試驗件的回彈角，測試結(jié)果如圖3所示。選擇6.34mm厚度，制作了3種不同鋪層方式的對比試驗件，測量了試驗件的回彈角，測試結(jié)果如圖4所示。

圖2 回彈角測試中L型層板試驗件Fig.2 L-shaped laminate of spring-back angle test

表2 復(fù)合材料梁尺寸測量數(shù)據(jù) mm

圖3 典型鋪層不同厚度的回彈角比較Fig.3 Comparisons of spring-back angle of different kinds of thickness with typical stacking sequence

圖4 典型厚度不同鋪層方式的回彈角比較Fig.4 Comparisons of spring-back angle of different stacking sequences with typical thickness

分析圖3和圖4可知：

（1）相同鋪層方式、不同厚度的試驗件其回彈角不同，隨著試驗件厚度的增加，回彈角逐漸變小，最大相差0.133°；

（2）相同厚度、不同鋪層方式的試驗件其回彈角也不同，最大相差0.1°。

2.2 回彈角修正

采用數(shù)值模擬方法可計算復(fù)合材料梁的回彈角，對大尺寸大厚度復(fù)合材料梁來說，不同的厚度區(qū)域回彈角不同，鋪層方式的不同也會引起回彈角的差異，單純依靠試驗測試或模擬計算都難以得到準(zhǔn)確的回彈角。將試驗測試和模擬計算相結(jié)合，利用試驗測試得出典型鋪層、典型厚度的回彈角，對模擬計算結(jié)果進(jìn)行修正，可得到更精確的回彈角[14]。圖5給出了復(fù)合材料梁典型厚度區(qū)（6.34～17.12mm）的回彈角修正結(jié)果。按照回彈角修正值對梁不同厚度區(qū)的緣條型面分別進(jìn)行工藝補償，即可抵消回彈變形對梁外形尺寸的影響。

圖5 某復(fù)合材料梁典型厚度區(qū)回彈角修正結(jié)果Fig.5 Revising values of spring-back angle on typical thickness areas of composites spar

2.3 試驗驗證

按照上述回彈補償方法研制復(fù)合材料梁全尺寸件，測量了制件左、右側(cè)緣條的回彈角，測量數(shù)據(jù)如圖6所示，回彈角實測值與修正結(jié)果一致性較好，經(jīng)工藝控制，回彈角可控制在±0.1°的范圍內(nèi)。試驗結(jié)果表明，通過合理的工藝補償，回彈變形對復(fù)合材料梁外形的影響可精準(zhǔn)控制。

3 厚度控制

3.1 預(yù)浸料厚度控制

目前國內(nèi)外高性能樹脂基復(fù)合材料以熱熔法預(yù)浸料為主，其優(yōu)點是“零吸膠”，因此，預(yù)浸料的厚度直接決定了成型后制件的厚度，而影響預(yù)浸料厚度的主要因素是纖維面密度和樹脂含量[10]。因此，嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程中預(yù)浸料的纖維面密度偏差和樹脂含量偏差，即可有效控制制件的厚度偏差。

3.2 預(yù)浸料優(yōu)化使用

在工業(yè)化生產(chǎn)中，由于碳纖維和預(yù)浸料生產(chǎn)設(shè)備的精度誤差，生產(chǎn)出來的預(yù)浸料樹脂含量和纖維面密度在一定的范圍內(nèi)波動，導(dǎo)致預(yù)浸料的厚度也有所波動。利用預(yù)浸料厚度的波動，將不同厚度的預(yù)浸料合理搭配，可精準(zhǔn)控制制件的最終厚度。

工程實際應(yīng)用時可對預(yù)浸料抽樣進(jìn)行厚度測試，每卷預(yù)浸料（以100m2計）首、尾各截取0.5m2壓制層壓板，固化后計算平均單層厚度。因單卷預(yù)浸料的厚度波動范圍有限，此厚度可近似準(zhǔn)確地表征該卷預(yù)浸料的厚度實際值。對厚、薄不同的預(yù)浸料進(jìn)行合理組合、優(yōu)化使用，制件的厚度偏差可控制在±1.5%以內(nèi)，有利于制件的外形精確控制。

4 外形精確控制結(jié)果試驗驗證

按照上述精確控制外形尺寸的方法研制復(fù)合材料梁全尺寸件，使用激光跟蹤儀測量了梁左、右側(cè)緣條的外形面，制件的型面偏差可控制在-0.4～0.15mm，滿足設(shè)計、裝配對產(chǎn)品外形公差的要求。這說明合理的控制熱膨脹偏差、回彈變形偏差和厚度偏差3個因素，可實現(xiàn)對大尺寸大厚度復(fù)合材料梁外形的精確控制（圖7）。

圖6 復(fù)合材料梁左、右緣條回彈角測量結(jié)果Fig.6 Measurements of spring-back on left flange and right flange of composites spar

圖7 復(fù)合材料梁緣條型面偏差Fig.7 Deviation of flange shape of composites spar

結(jié)論

大尺寸大厚度復(fù)合材料梁的外形尺寸受制件的熱膨脹偏差、回彈變形偏差、厚度偏差3個因素綜合影響。

（1）熱膨脹偏差受制件的厚度、鋪層角度影響顯著，沿鋪層0°方向和90°方向?qū)χ萍謩e按相應(yīng)的補償系數(shù)進(jìn)行縮放可消除熱膨脹的影響；

（2）回彈角的大小與制件的厚度、鋪層方式密切相關(guān)，通過模擬計算結(jié)合試驗測試修正，可得到精確的回彈角；

（3）在生產(chǎn)時嚴(yán)格控制預(yù)浸料的厚度，優(yōu)化預(yù)浸料使用方式，可減小厚度波動，精確控制制件厚度。

通過采取合理的工藝措施對上述3個主要影響因素加以精確控制，實現(xiàn)了對大尺寸大厚度復(fù)合材料梁外形的精確控制，相關(guān)技術(shù)適合工程化應(yīng)用。

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