（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610041）

隨著復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，對(duì)復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)[1-2]，尤其是熱流耦合技術(shù)的要求越來(lái)越高。由于熱壓罐成型過(guò)程中涉及復(fù)雜的熱交換、熱傳導(dǎo)和熱化學(xué)反應(yīng)，以及熱壓罐內(nèi)工裝、復(fù)合材料構(gòu)件和罐體之間的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的耦合效應(yīng)，使得控制復(fù)合材料的固化過(guò)程[3]、保證產(chǎn)品質(zhì)量變得更加困難。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，各種專(zhuān)業(yè)軟件不斷涌現(xiàn)，使復(fù)合材料熱壓罐成型的流固耦合虛擬制造成為可能[4-5]。傳統(tǒng)方法主要對(duì)熱壓罐體的流場(chǎng)和單一工裝零件進(jìn)行有限元計(jì)算[6-7]，但對(duì)多套工裝的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合的報(bào)道很少見(jiàn)。本文采用有限元分析方法對(duì)復(fù)合材料熱壓罐流固耦合進(jìn)行數(shù)值模擬，研究多套工裝、零件在熱壓罐內(nèi)的流場(chǎng)均勻性，預(yù)測(cè)罐內(nèi)的流場(chǎng)分布；研究工裝零件在罐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)工裝的溫度場(chǎng)均勻性，優(yōu)化多套工裝零件在罐內(nèi)的合理布局，并將研究結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合[8-9]。這不但可以大大提高工藝設(shè)計(jì)效率、減少研制費(fèi)用，而且可以彌補(bǔ)生產(chǎn)過(guò)程難以預(yù)測(cè)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化的不足[10]，提高產(chǎn)品成型質(zhì)量。

1 熱壓罐數(shù)值分析模型

1.1 熱壓罐幾何模型

熱壓罐是一種大型真空壓力容器，罐內(nèi)的加熱方式為電熱阻絲加熱，以空氣或惰性氣體為熱傳導(dǎo)載體，風(fēng)機(jī)作為氣體循環(huán)的動(dòng)力來(lái)完成固化過(guò)程的循環(huán)加熱，壓力由調(diào)節(jié)閥控制儲(chǔ)氣罐加壓。熱壓罐是一個(gè)環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)，由內(nèi)、外層組成，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常只對(duì)熱壓罐的內(nèi)層進(jìn)行分析。本文所用的熱壓罐有效尺寸為13m×5.5m，圖1為熱壓罐的CAD模型。

圖1 熱壓罐CAD模型Fig.1 CAD molding of autoclave

1.2 熱壓罐體、工裝的CAE模型及分布

熱壓罐成型仿真涉及熱化學(xué)、固化動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)等范疇，其中熱化學(xué)和固化動(dòng)力學(xué)是對(duì)零部件級(jí)的模擬分析，而流體力學(xué)是對(duì)熱壓罐內(nèi)流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析罐內(nèi)的流場(chǎng)穩(wěn)定性和熱分布[11-12]。為了使流體計(jì)算過(guò)程趨于穩(wěn)定，本文只取罐內(nèi)壁為流體區(qū)域，工裝型面和框架作為支撐。通過(guò)網(wǎng)格劃分，建立應(yīng)用于熱壓罐流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析的CAE網(wǎng)格模型，即罐體和工裝的網(wǎng)格模型。本算例利用熱壓罐仿真軟件提供的網(wǎng)格前處理工具CFD-Viscart對(duì)CAD模型計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所生成的網(wǎng)格類(lèi)型為笛卡爾自適應(yīng)網(wǎng)格。圖2為工裝在熱壓罐內(nèi)的分布，圖3為罐體某截面網(wǎng)格示意圖。

2 基本假設(shè)及參數(shù)設(shè)置

2.1 基本假設(shè)

由于熱壓罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)流換熱又分為罐內(nèi)和外壁，罐尾的風(fēng)機(jī)和電加熱阻絲不利于模型建立，為了簡(jiǎn)化計(jì)算、提高效率，對(duì)本文涉及的分析案例做如下假設(shè)[13]：

（1）只將熱壓罐內(nèi)腔作為流體計(jì)算域；

（2）流體無(wú)內(nèi)熱源，不可壓縮，物性各向同性；

（3）氣體流動(dòng)與傳熱充分；

（4）流體與固體界面間無(wú)擴(kuò)散現(xiàn)象；

圖2 工裝在熱壓罐內(nèi)的分布Fig.2 Distribution of molds in autoclave

圖3 罐體某截面網(wǎng)格Fig.3 Grids sketch of certain cross section of autoclave

（5）固體與固體界面間無(wú)壓縮現(xiàn)象；

（6）風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量均勻。

2.2 材料參數(shù)及熱壓罐工藝曲線(xiàn)

本文以復(fù)合材料蒙皮零件和鋼工裝為例，原材料選用碳纖維增強(qiáng)的雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂預(yù)浸料，單層厚度0.125mm，材料屬性參數(shù)見(jiàn)表1。

分別選取3個(gè)蒙皮零件，其中一個(gè)較大的蒙皮（約1.5m×2m），標(biāo)識(shí)為1號(hào)件，零件鋪層為20層，零件固化厚度2.5mm；另外兩個(gè)較小的蒙皮（約0.5m×1.5m），分別標(biāo)識(shí)為2號(hào)和3號(hào)件，零件鋪層均為24層，固化厚度3.0mm。以上零件在熱壓罐內(nèi)的加溫曲線(xiàn)如圖4所示，整個(gè)固化周期由3個(gè)升溫-恒溫平臺(tái)和1個(gè)降溫過(guò)程構(gòu)成，其中最大升降溫速率不超過(guò)2℃/min。

2.3 邊界條件

熱壓罐流場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)邊界條件設(shè)置及理論模型中相應(yīng)方程的求解，最終得到計(jì)算域中所需參數(shù)的數(shù)值分布情況[6]。根據(jù)熱壓罐的工藝設(shè)計(jì)本文算例中的邊界條件，其中熱壓罐流體介質(zhì)為空氣，熱壓罐的一端設(shè)置為速度入口，另一端設(shè)置為壓力出口，熱壓罐外壁為絕熱壁，熱壓罐內(nèi)壁、工裝和零件均為壁面邊界條件。

入口設(shè)置：流速U=2m/s，壓力P1=1.0×105Pa，溫度T=300K。

出口設(shè)置：壓力P2=1.0×105Pa。

本文的計(jì)算分為定常計(jì)算和非定常計(jì)算，定常計(jì)算的溫度為300K，非定常計(jì)算的溫度如表2所示。

表1 材料屬性

圖4 熱壓罐加溫曲線(xiàn)Fig.4 Curve of heat up of autoclave

3 應(yīng)用算例

3.1 熱壓罐內(nèi)流場(chǎng)討論

本算例只針對(duì)室溫下熱壓罐內(nèi)的流體域進(jìn)行求解，對(duì)具體零件工裝不求解。通過(guò)數(shù)值模擬，分析熱壓罐內(nèi)的流場(chǎng)和工裝零件周?chē)牧骶€(xiàn)均勻性，預(yù)測(cè)熱壓罐內(nèi)流場(chǎng)的熱分布。圖5為熱壓罐內(nèi)工裝周?chē)牧骶€(xiàn)分布示意圖。

由圖5可知，工裝周?chē)牧骶€(xiàn)從入口向出口方向均勻分布，表明工裝的位置和方向合理有助于罐內(nèi)熱空氣流動(dòng)，并盡量滿(mǎn)足工裝低凹端向罐門(mén)、高凸端向罐尾，這樣更有利于熱空氣的對(duì)流傳熱，降低熱壓罐內(nèi)的溫度梯度，提高固化零件的質(zhì)量。

通過(guò)計(jì)算工裝對(duì)罐內(nèi)流場(chǎng)的影響，可預(yù)測(cè)工裝的熱分布均勻性，優(yōu)化工裝設(shè)計(jì)。圖6為工裝截面的流場(chǎng)分布，通過(guò)分析可發(fā)現(xiàn)，工裝的存在對(duì)周?chē)鲃?dòng)有一定的影響，對(duì)于尺寸較大的工裝可能使周?chē)鲃?dòng)發(fā)生局部擾動(dòng)。由于本算例中，已對(duì)熱壓罐內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，工裝在罐內(nèi)的方向與罐內(nèi)的氣流方向一致，雖然多套工裝對(duì)罐內(nèi)流場(chǎng)有一定的影響，但是總體來(lái)看，工裝附近的流場(chǎng)穩(wěn)定、熱分布較均勻，能夠滿(mǎn)足復(fù)合材料構(gòu)件固化過(guò)程的溫度均勻性要求。

表2 熱壓罐入口溫度設(shè)置

圖6 工裝截面的流場(chǎng)分布Fig.6 Flow distribution of tool section

3.2 熱壓罐內(nèi)溫度場(chǎng)討論

熱壓罐內(nèi)的溫度場(chǎng)分析，涉及流體區(qū)域（空氣）和固體區(qū)域（工裝和零件），而且復(fù)合材料還存在固化放熱現(xiàn)象，需要考慮放熱對(duì)工裝溫度場(chǎng)的影響[7]。因此，溫度場(chǎng)分析是一個(gè)流體-固體-熱化學(xué)耦合過(guò)程，是影響產(chǎn)品總體性能和質(zhì)量的重要因素[14-15]。本算例在熱壓罐流場(chǎng)計(jì)算基礎(chǔ)上，利用流場(chǎng)分析結(jié)果，滿(mǎn)足罐內(nèi)流場(chǎng)分布均勻的情況下，再對(duì)熱壓罐內(nèi)的工裝、零件進(jìn)行求解。該過(guò)程中罐體入口溫度見(jiàn)表2，工裝、零件和空氣的基本屬性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7為1800s時(shí)刻熱壓罐內(nèi)溫度場(chǎng)分布示意圖，可以看出罐體和工裝的溫度分布在382～384K之間，而且從入口至出口溫度為降低趨勢(shì)。罐內(nèi)的空氣沿罐外壁從罐門(mén)向罐尾流動(dòng)，大工裝在前，中小型工裝在后，大工裝凹口大端為入風(fēng)口，以使3套工裝能充分與流體進(jìn)行熱傳導(dǎo)和熱交換，從而減小每套工裝間的溫差，使復(fù)合材料構(gòu)件獲得較為均勻的溫度分布。

圖8為9000s時(shí)刻的罐體內(nèi)整體及局部溫度分布示意圖，可以看出熱壓罐內(nèi)和工裝的溫度分布在295～475K之間。在9000s時(shí)刻，熱壓罐內(nèi)和工裝的表面溫度一直穩(wěn)定在473K，表明該時(shí)刻罐體內(nèi)的溫度場(chǎng)趨于一致。

圖7 1800s時(shí)刻熱壓罐內(nèi)溫度場(chǎng)分布Fig.7 Temperature distribution in autoclave at t=1800s

圖8 9000s時(shí)刻熱壓罐內(nèi)溫度場(chǎng)分布Fig.8 Temperature distribution in autoclave at t=9000s

圖9為23400s時(shí)刻的罐體內(nèi)整體及局部溫度分布示意圖?？梢?jiàn)，到23400s時(shí)刻，罐內(nèi)的溫度分布仍在295～475K之間，與9000s時(shí)刻的溫度分布一致。同樣可以發(fā)現(xiàn)9000s以后的時(shí)刻，罐體、工裝的表面溫度一直穩(wěn)定在473K，表明自9000～23400s，罐體內(nèi)的環(huán)境溫度穩(wěn)定、溫度場(chǎng)分布均勻，能滿(mǎn)足復(fù)合材料構(gòu)件固化成型過(guò)程中對(duì)溫度均勻性的要求。

3.3 零件表面溫度變化對(duì)比

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本文對(duì)熱壓罐內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果，對(duì)以上復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)罐固化過(guò)程中，選取熱壓罐中間的零件，提取零件上的溫度點(diǎn)，分析零件表面溫度的溫差范圍，如圖10所示。

圖10為整個(gè)固化過(guò)程中零件表面的最大溫差隨時(shí)間的變化圖，可以看出最大溫差為12℃，出現(xiàn)在最初的加溫階段和后面的降溫階段，中間過(guò)程的溫差都在0～8℃范圍內(nèi)，基本上能滿(mǎn)足該類(lèi)復(fù)合材料零件的固化要求。

4 結(jié)論

圖9 23400s時(shí)刻熱壓罐內(nèi)溫度場(chǎng)分布Fig.9 Sketch of temperature distribution in-autoclave at t=23400s

圖10 零件表面不同時(shí)刻的溫差Fig.10 Range of temperature at different time of part surface

（1）通過(guò)熱壓罐內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算，分析了熱壓罐內(nèi)流場(chǎng)與工裝附近的流線(xiàn)分布均勻性。熱壓罐溫度場(chǎng)分析表明，固化時(shí)間自9000s以后，罐內(nèi)的流場(chǎng)穩(wěn)定、溫度場(chǎng)均勻，能滿(mǎn)足復(fù)合材料構(gòu)件固化成型過(guò)程中對(duì)溫度均勻性的要求。

（2）將復(fù)合材料熱壓罐熱流耦合數(shù)值模擬技術(shù)與工程實(shí)際結(jié)合，不但可以大大提高工藝設(shè)計(jì)效率，減少研制費(fèi)用，還可以彌補(bǔ)工程實(shí)踐中難以預(yù)測(cè)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化過(guò)程，提高產(chǎn)品固化質(zhì)量。

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