徐 鵬，晏冬秀，楊 青，賈麗杰，魏 冉，孫晶晶

（上海飛機(jī)制造有限公司航空制造技術(shù)研究所，上海 200070）

徐 鵬 工程師，博士，從事民用飛機(jī)復(fù)合材料研發(fā)，主要研究方向?yàn)樘祭w維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料工藝過程仿真技術(shù)研究、熱固性復(fù)合材料熱隔膜預(yù)成型工藝。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量以及高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，成為民用飛機(jī)重要的結(jié)構(gòu)和功能材料。熱壓罐成型工藝是制備高性能復(fù)合材料的主要方法，因具有成型構(gòu)件質(zhì)量高、工藝穩(wěn)定可靠、適用范圍廣、模具相對比較簡單等特點(diǎn)，已在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。

在熱壓罐工藝中，工藝參數(shù)和工裝設(shè)計(jì)直接影響零件的最終質(zhì)量：工裝導(dǎo)熱能力影響零件溫差，并對固化變形造成影響；固化制度影響零件的固化歷程，并最終影響零件的性能；由于樹脂的固化特性，一般需要對工裝進(jìn)行補(bǔ)償，保證零件精度；對于梁和長桁類大長細(xì)比的零件，為了提高制造效率，一般采用自動(dòng)鋪帶配合熱隔膜預(yù)成型，熱隔膜工藝參數(shù)影響零件R區(qū)質(zhì)量。復(fù)合材料在整個(gè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)優(yōu)化是保證零件質(zhì)量和適用安全的前提。

隨著民機(jī)復(fù)合材料在民機(jī)上的占比增加，零件的尺寸越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，新的制造工藝也不斷涌現(xiàn)。使用經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)試錯(cuò)法進(jìn)行研究不僅成本高、耗時(shí)長，而且難以針對特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。為了機(jī)體結(jié)構(gòu)減重，復(fù)材零件大量采用共膠接、共固化等工藝，減少緊固件重量，造成復(fù)合材料零件單件成本升高，采用試驗(yàn)方法的風(fēng)險(xiǎn)大幅提高[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，制造過程的數(shù)值模擬仿真技術(shù)也蓬勃發(fā)展。數(shù)值模擬能夠?qū)?fù)合材料熱壓罐工藝過程和最終零件外形質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測分析，大幅減少試驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期，采用仿真手段能夠大幅減少材料和能源消耗，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的綠色制造。國內(nèi)外對復(fù)合材料成型過程的數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了一些研究，取得了良好的進(jìn)展，能夠?qū)σ恍┙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝仿真和優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性。近年來，隨著復(fù)合材料智能化制造、大數(shù)據(jù)制造技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)更是大勢所趨。

熱壓罐流場仿真

熱壓罐是加工復(fù)合材料的重要工具，采用氣流傳遞熱量、合理流場分布是保證零件固化質(zhì)量的前提[3]。對于尺寸較大的零件，如果氣流分布不佳，會(huì)導(dǎo)致工裝和零件上存在較大溫差，造成零件固化歷程不同步，影響零件的最終質(zhì)量。如果采用試驗(yàn)研究，對于同一零件往往需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，分析熱分布規(guī)律，這對于大尺寸復(fù)雜零件來說成本過高。不同型號熱壓罐、不同擺放位置和不同工裝設(shè)計(jì)都會(huì)對溫度分布造成影響，并且試驗(yàn)方法只能對已經(jīng)完成制造的工裝熱分布采取拯救式改善，而無法在設(shè)計(jì)之初就對工裝結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案。

數(shù)值模擬方法能夠完美解決這一問題，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，罐內(nèi)溫度場的仿真模型不斷完善。李先聚等[4]使用Comsol軟件分析了罐門結(jié)構(gòu)對罐內(nèi)流場的影響。林家冠等[5]對熱壓罐內(nèi)的流動(dòng)場和溫度場進(jìn)行了分析，并提出通過在工裝特定區(qū)域安裝風(fēng)扇的方式解決流場和溫度分布問題。白光輝等[6]對大型復(fù)雜框架式模具的傳熱過程進(jìn)行分析，給出了復(fù)合材料固化過程中框架式模具表面溫度場分布規(guī)律，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了大型框架式模具的設(shè)計(jì)方法。

熱壓罐工藝中，主要涉及罐內(nèi)空氣和模具、復(fù)合材料以及輔助材料之間的熱交換過程，涉及到流動(dòng)傳熱和流固耦合，一般使用流體力學(xué)的準(zhǔn)則進(jìn)行求解，包括連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）、動(dòng)量方程和能量守恒方程。

（1）連續(xù)方程。

其中，ρ為流體質(zhì)量密度，U為流體的速度矢量。

（2）動(dòng)量方程。

在動(dòng)量守恒方程中，引入Newton切應(yīng)力公式及Stokes的表達(dá)式，可得3個(gè)速度分量的動(dòng)量方程：

其中，η為流體動(dòng)力黏度，p為流體壓力，Su、Sv、Sw為 3 個(gè)動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)。

（3）能量方程。

由能量守恒定律，再引入導(dǎo)熱Fourier定律，可得出用流體比焓h及溫度T表示的能量方程：

其中，h = h（p，T），與流體壓強(qiáng)和流體溫度相關(guān)；λ是流體的導(dǎo)熱系數(shù)；Sh為流體的內(nèi)熱源，φ為由于粘性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

熱壓罐是大型壓力容器，根據(jù)其用途長度從幾m到幾十m，直徑從1m左右到接近10m，是一個(gè)巨大的空間結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料根據(jù)不同結(jié)構(gòu)特征，其長度也可達(dá)十幾m甚至幾十m，但是其厚度僅有十幾mm，輔助材料的厚度則更小。

如果采用均一化的網(wǎng)格剖分方法，粗化的網(wǎng)格雖然計(jì)算量較小，但是其結(jié)果精度難以保證；細(xì)化的網(wǎng)格可以提高仿真的精度，但也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量成級數(shù)增加。為了兼顧精度和計(jì)算效率，一般采用網(wǎng)格加密技術(shù)，對復(fù)合材料及工裝進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，而對于罐內(nèi)空間則使用較粗的網(wǎng)格，典型的熱壓罐內(nèi)網(wǎng)格剖分方式如圖1所示。

通過模擬可以得到模具表面和零件表面的溫度場分布，梁結(jié)構(gòu)工裝和零件的溫度場分布云圖如圖2所示為?？梢钥闯?，對于尺寸較大的零件，模具型面上存在較大溫差，同時(shí)也可以從模擬結(jié)果中得到零件上的溫度領(lǐng)先和滯后區(qū)域位置，根據(jù)這一結(jié)果可以對領(lǐng)先和滯后熱電偶的布置進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)模擬得到的結(jié)果雖然不能完全替代熱分布試驗(yàn)，但是可以大幅減少試驗(yàn)次數(shù)，對試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 典型的熱壓罐內(nèi)網(wǎng)格剖分Fig.1 Typical mesh of autoclave

圖2 梁結(jié)構(gòu)工裝和零件熱分布云圖Fig.2 Temperature distribution nephogram of mould and par

固化放熱控制

樹脂在熱壓罐中進(jìn)行固化時(shí)，會(huì)和工裝及輔料發(fā)生熱交換，并在高溫下發(fā)生固化反應(yīng)[7]。對于厚度較大的零件，其表面溫度和中心溫度存在較大溫差，在升溫階段，零件表面溫度較高，優(yōu)先到達(dá)固化溫度，中心位置升溫相對滯后。但是當(dāng)零件整體溫度到達(dá)固化溫度后，零件中心區(qū)域由于固化反應(yīng)放出大量熱量，如果這些熱量不能及時(shí)釋放，勢必導(dǎo)致零件中心溫度過高，超出規(guī)范允許范圍，影響零件質(zhì)量。

采用數(shù)值模擬方法建立針對特定樹脂體系的固化動(dòng)力學(xué)，可以對樹脂固化歷程進(jìn)行分析，針對可能出現(xiàn)的沖溫情況，進(jìn)行固化曲線優(yōu)化。在這一仿真過程中，需要配合熱壓罐內(nèi)溫度場的模擬結(jié)果，配合樹脂體系的固化動(dòng)力學(xué)，幾種典型的固化動(dòng)力學(xué)模型[8-9]為

其中，α 為固化度，k、k1、k2為反應(yīng)速率常數(shù)，需通過試驗(yàn)確定。3種模型分別適用于不同特性的樹脂，目前較常用的為自催化模型。將該模型結(jié)合材料內(nèi)部的溫度場計(jì)算，可得到零件內(nèi)部不同時(shí)刻的溫度場分布，根據(jù)溫度結(jié)果可以提取零件內(nèi)部潛在中溫區(qū)域的溫度曲線，如圖3所示。圖3為32mm厚度層壓板中心區(qū)域在兩種不同固化制度下的溫度變化曲線，在制度1下，零件中心超溫嚴(yán)重，改為制度2后內(nèi)部超溫明顯改善。

根據(jù)模擬得到的結(jié)果可以對固化曲線進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)，圖3中的制度1為典型的中溫固化樹脂體系的固化制度，可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)制度下零件內(nèi)部的溫度已經(jīng)超出目前工藝規(guī)范要求的±6℃的誤差范圍。制度2為修正后的固化曲線，通過減緩升溫速率，零件內(nèi)部的最大溫度能夠滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。

圖3 不同固化制度條件下零件內(nèi)部溫度變化曲線Fig.3 Temperature curve of the component under different curing cycles

固化變形預(yù)測

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的固化成型過程中可能會(huì)發(fā)生固化變形，這主要是由于材料物理屬性的各向異性和鋪層結(jié)構(gòu)的不對稱性造成的。首先，纖維和基體的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致復(fù)合材料在兩個(gè)方向上的熱膨脹特性呈正交各向異性分布。其次，固化過程中基體材料會(huì)發(fā)生化學(xué)收縮，而在纖維方向上，由于纖維的約束作用化學(xué)收縮不明顯，導(dǎo)致材料化學(xué)收縮的各向異性，二者共同作用可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的彎矩，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變形[10-11]。造成固化變形的因素有很多，包括零件選用的材料、鋪層分布、尺寸、厚度、R角等結(jié)構(gòu)特征，還有模具材料、模具結(jié)構(gòu)以及與零件之間的作用方式等。賈麗杰等[12]使用數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)合的方法分析了零件結(jié)構(gòu)對固化變形的影響。楊青等[13]通過總結(jié)分析了影響固化變形因素的權(quán)重分布。

隨著對固化變形機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入，發(fā)現(xiàn)模具對固化變形有著非常重要的影響，模具與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不匹配會(huì)增加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)厚度方向的應(yīng)力梯度從而引起變形，并且模具在使用過程中的變形也對零件變形造成影響。晏冬秀等[14]通過試驗(yàn)研究提出復(fù)合材料工裝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，岳廣全等[15]通過數(shù)值模擬研究了大型框架模具在使用過程中的變形對零件外形尺寸的影響規(guī)律。由于零件的外形、結(jié)構(gòu)和鋪層在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)用途和強(qiáng)度需求已經(jīng)給定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改比較困難，因此一般的做法是對模具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用反變形的方式對模具設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到期望的零件[11-13]。復(fù)合材料靠模具賦形，模具設(shè)計(jì)至關(guān)重要，對于簡單的零件可以靠經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償，根據(jù)試模件的變形量進(jìn)行修模，但是對于尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，經(jīng)驗(yàn)難以給出合適的模具回彈補(bǔ)償量，一般采用數(shù)值模擬方法對零件和模具進(jìn)行固化變形仿真，分析零件變形的趨勢和大小，給出基本的模具回彈補(bǔ)償值，然后對補(bǔ)償后的零件固化變形進(jìn)行預(yù)測，逐次迭代，最終得到最佳的模具設(shè)計(jì)方案。圖4為加筋壁板結(jié)構(gòu)固化變形分布云圖，根據(jù)該結(jié)果可以進(jìn)行工裝型面補(bǔ)償。

圖4 加筋壁板變形分析Fig.4 Distortion analysis of stiffened panel

熱隔膜工藝仿真

隨著復(fù)合材料用量的大幅增加，手工鋪貼的方式難以滿足量產(chǎn)制造的需求，自動(dòng)鋪貼工藝在復(fù)合材料制造過程中大量采用。熱隔膜成型（Hot Drape Forming，HDF）工藝能夠配合自動(dòng)鋪帶設(shè)備，大幅提高生產(chǎn)效率，并且可以有效解決手工鋪貼過程中R區(qū)纖維壓不實(shí)造成的纖維屈曲問題，是加工梁和長桁類大長細(xì)比零件的優(yōu)良工藝方法[16-17]。

熱隔膜工藝采用自動(dòng)鋪帶將預(yù)浸料鋪成平板，在加熱條件下使用隔膜的延展性對預(yù)浸料層進(jìn)行賦形，最后進(jìn)熱壓罐固化，圖5為熱隔膜工藝的流程示意圖。

在熱隔膜成型工藝中，溫度、折彎速率、真空度是控制整個(gè)工藝過程的重要參數(shù)，溫度影響層間滑移；折彎速率過快會(huì)導(dǎo)致R區(qū)形成褶皺，折彎速率過慢會(huì)導(dǎo)致預(yù)浸料高溫暴露時(shí)間過長；真空度大小決定料層最終能否貼緊工裝，在雙隔膜工藝中，隔膜間的真空度影響料層間的壓緊力和層間滑移阻力。對熱隔膜工藝參數(shù)的合理控制和優(yōu)化是保證工藝質(zhì)量的前提[18]，否則會(huì)在R區(qū)形成纖維屈曲，如圖6所示。

國外對熱隔膜工藝進(jìn)行了比較深入的研究，制備了專用的設(shè)備，并已經(jīng)成功將該工藝應(yīng)用于批量生產(chǎn)，如空客A400的機(jī)翼梁、波音787的隔框等。國內(nèi)對熱隔膜工藝的研究起步較晚，目前仍未有主承力構(gòu)件上的應(yīng)用，C919垂尾梁采用了單隔膜工藝，并已經(jīng)成功研制出首架份樣件。國內(nèi)已經(jīng)開始這一領(lǐng)域研究，國內(nèi)多家單位已經(jīng)開始就熱隔膜預(yù)成型過程的數(shù)值仿真開展了相關(guān)研究，這些研究有望突破熱隔膜仿真瓶頸，為復(fù)合材料低成本、高效制造提供有力的技術(shù)支持。

圖5 熱隔膜成型工藝流程Fig.5 Process flow of hot drape forming

基于大數(shù)據(jù)的仿真方法

復(fù)合材料技術(shù)是航空航天領(lǐng)域的重要技術(shù)，國內(nèi)在此領(lǐng)域研究起步較晚，目前絕大部分的復(fù)合材料制造仍采用手工鋪貼的方式，并且工藝參數(shù)的制定也大部分依靠經(jīng)驗(yàn)，這極大制約了復(fù)合材料的高效制造和大范圍應(yīng)用。隨著“中國制造2025”概念的提出，復(fù)合材料制造領(lǐng)域也提出了基于大數(shù)據(jù)的制造方法。通過對材料參數(shù)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)特征、設(shè)備和人員能力等因素進(jìn)行綜合分析，制定最佳的工藝方案和路線，對復(fù)合材料的整個(gè)制造周期進(jìn)行全面的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制造的自動(dòng)化智能制造，數(shù)值仿真在這一領(lǐng)域?qū)?huì)起到至關(guān)重要的作用。

數(shù)值仿真技術(shù)由于其特性可以和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫銜接，通過鏈接材料數(shù)據(jù)庫、工藝模型數(shù)據(jù)庫、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)?fù)合材料制造的全過程進(jìn)行流程化仿真，并且可以針對特定的零件結(jié)構(gòu)、根據(jù)不同工位所需的時(shí)間、設(shè)備和人員對零件的量產(chǎn)制造進(jìn)行流水線優(yōu)化，最大程度提高設(shè)備和人員的生產(chǎn)效能，保證零件質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖6 熱隔膜過程中R區(qū)產(chǎn)生的褶皺Fig.6 Wrinkle in the R area in hot drape forming process

結(jié)束語

本文總結(jié)了數(shù)值模擬技術(shù)在熱壓罐工藝中的應(yīng)用情況和前景，分析了數(shù)值模擬技術(shù)在熱壓罐工藝過程中的優(yōu)勢。

（1）能夠低成本，高效地對熱壓罐內(nèi)流場、溫度場、工裝及零件的溫度歷程進(jìn)行仿真分析，從而優(yōu)化工裝導(dǎo)熱設(shè)計(jì)和熱分布試驗(yàn)方案。

（2）可以對大型復(fù)雜復(fù)合材料零件的固化過程進(jìn)行仿真，分析固化制度對零件固化過程的影響，分析潛在風(fēng)險(xiǎn)并對固化制度進(jìn)行優(yōu)化。

（3）通過對零件固化變形的仿真預(yù)測，可以對工裝補(bǔ)償方案進(jìn)行優(yōu)化，改善零件外形精度，保證裝配質(zhì)量。

（4）目前正在研究的熱隔膜工藝過程仿真，能夠?yàn)闊岣裟すに嚪桨敢约榜薨櫘a(chǎn)生機(jī)理提供指導(dǎo)，為熱隔膜工藝的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

（5）基于大數(shù)據(jù)的仿真方法能夠?qū)?fù)合材料的制造過程進(jìn)行全方位的分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的自動(dòng)化、智能化制造。

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