（航空工業(yè)昌河飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，景德鎮(zhèn) 333002）

復合材料以其比強/剛度高、耐腐蝕、耐疲勞和可設計性強等優(yōu)點迅速在直升機結構上得到大量應用，已由次承力結構發(fā)展到主承力結構。目前，國外先進直升機上復合材料的用量已經(jīng)達到機身結構重量的80%～90%，其相對于金屬結構的重量優(yōu)勢也表現(xiàn)突出，與金屬結構相比減重效益達到20%～25%，直接提高了直升機的裝載能力、航程和舒適性[1-4]。

復合材料結構在應用過程中，受到設計結構和制造過程的影響，成型后的制件均存在不同程度的固化變形的缺陷，直接影響其在機身結構上的裝配效果和使用壽命。零件固化變形嚴重會導致制造的反復，造成成本的增加和制造周期的延長。固化變形等缺陷的存在，直接影響了大型整體結構在直升機機身上的應用進程。因此，要實現(xiàn)大型整體結構的工程化應用，需要開展復合材料結構的精確制造技術研究，其中研究影響大型整體結構變形的工藝要素，探索復合材料整體結構的變形控制技術，是整體結構設計實施的技術關鍵。工藝仿真和虛擬制造技術可以利用仿真的手段預測復合材料零件固化中產(chǎn)生的缺陷，從而優(yōu)化制造工藝，避免或減少制造缺陷。工藝仿真技術的應用，對于改進傳統(tǒng)的主要依賴經(jīng)驗的工藝設計方法、減少試驗次數(shù)、加快工藝研制周期、降低成本意義重大[5-15]。

熱壓罐固化變形補償技術方案

以復合材料典型U型結構對象開展熱壓罐溫度場仿真及固化變形仿真研究分析。具體流程如圖1所示。

1 熱壓罐內溫度場分析

模擬熱壓罐內擺放工裝工件情況下的內部流場及溫度場分布，不考慮工裝工件傳熱及工件固化,該階段側重考慮工裝工件對內部流場的流阻，以便快速獲取工裝工件最佳擺放位置，并對工裝支撐板等流道設計合理性提供評估。CFD-ACE+利用熱力耦合方法計算工裝模具在罐內的表面換熱、內部傳熱和熱變形情況。通過工裝模具內部的溫度分布和變形情況，分析工件變形和殘余應力水平。

2 工件固化變形模擬分析

將工件各節(jié)點的溫度和材料物態(tài)信息作為輸入條件提交給PAMDISTORTION，定義工件的約束信息，由PAM-DISTORTION軟件對工件進行回彈變形分析，可得到工件最終的殘余應力基于有限體積方法求解，結合能量方程及固化反應動力學方程進行樹脂的熱固化學反應計算，并考慮固化放出熱量對構件周圍溫度場的干擾作用。

3 工裝型面補償技術

以典型復合材料零件固化參數(shù)為前提，模擬工裝擺放條件下，分析熱壓罐溫度場、工裝的熱分布以及熱變形對工件變形的影響。需要以工裝材料屬性參數(shù)及工件材料的化學參數(shù)為基礎，分析得到固化周期內工件不同位置處的固化度變化、溫度變化以及固化后的變形情況[16]。基于有限元方法求解應力應變方程，得到構件的回彈變形量，考慮放熱和溫度場對構件變形的影響。根據(jù)固化仿真結果，測量零件固化后的外形與理論外形的差異，并與仿真結果對比，驗證變形仿真結果的準確性。提出優(yōu)化變形的工藝改進建議，并在修正仿真模型的基礎上，完成第二輪仿真優(yōu)化。這主要是建立在根據(jù)仿真結果修正工裝模型外形的基礎上，校正邊界條件，再次進行固化變形的模擬仿真，以達到減小或消除變形的目的。

研究過程與結果討論

1 復合材料零件熱壓罐固化溫度場分析

以框架式成型工裝結構和典型的U型碳纖維蒙皮零件為研究對象，工裝結構如圖2所示，研究熱壓罐成型過程中復合材料零件、工裝的傳熱過程。熱壓成型過程中，熱壓罐對零件傳熱的影響可等效為罐內環(huán)境溫度的變化對復合材料零件傳熱的影響，在結構上忽略真空袋、吸膠材料和透氣氈等輔助材料對復合材料零件的傳熱影響[17-22]。采用數(shù)值模擬的方法對典型件U型件進行溫度場的模擬，模擬出在不同時間段工裝和工件表面的溫度分布情況，并在相同時間下，進行工裝表面和工件表面的溫度對比。

邊界條件為：罐的進口邊界為入口邊界，速度為4m/s，采用理想氣體，按圖3中固化曲線輸入，粘性隨溫度變化；罐子的出口為壓力出口邊界；罐子的底部和工裝工件表面的邊界為wall壁面邊界，與制件實際固化時一致，加溫固化曲線為入口處的加溫曲線。將計算結果導入到后處理模塊CFD-View中進行結果提取，獲取熱壓罐內部的工裝和工件周圍的流線情況，得到工裝截面速度矢量的分布，如圖4所示。在升溫過程中的不同時刻，工裝、工件表面的溫度分布云如圖5、6所示。

圖1 熱壓罐固化仿真流程Fig.1 Simulation of autoclave curing process

圖2 U型蒙皮工裝結構Fig.2 Tool for type-U skin

由熱壓罐溫度場的仿真計算結果可以得出：升溫過程中，罐頭的升溫速率較快、溫度較高，罐尾的溫度較低，工裝表面與工件表面的溫度趨于一致，整個升溫過程中最高與最低的溫度差別為1.1℃；降溫過程中，罐頭的降溫速率較快，溫度低于罐尾，工裝表面與工件表面的溫度趨于一致，整個降溫過程中最高與最低的溫度差別為1.3℃。

2 固化變形仿真

2.1 變形量計算前處理

通過ESI的前處理軟件模塊Visual Mesh將工件的數(shù)模進行相應的處理，并進行網(wǎng)格劃分。

2.2 模型處理

對工件模型進行3D網(wǎng)格劃分，工件厚度方向網(wǎng)格分為9層，每一層代表一層單層板,具體劃分結果如圖7所示。

2.3 材料參數(shù)

計算變形需要的材料參數(shù)包括：3個方向、2種狀態(tài)（橡膠態(tài)、玻璃態(tài)）的楊氏模量、剪切模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、化學收縮系數(shù)等。將零件各部分的鋪層信息進行定義，并將材料相應參數(shù)輸入軟件。U型件鋪層信息輸入界面如圖8所示。

圖3 固化參數(shù)Fig.3 Curing parameter

圖4 工裝截面速度矢量Fig.4 Velocity vector of tooling section

圖5 某時刻工裝溫度分布Fig.5 Temperature distribution of tool at sometime

圖6 某時刻工件溫度分布Fig.6 Temperature distribution of part at sometime

2.4 邊界條件

固化分析需輸入溫度邊界條件（圖3），對工件所有表面進行溫度加載，根據(jù)固化過程中工件表面的溫度分布情況調整溫度加載。U型件在固化過程中各表面位置處的溫度相差不大，因此直接對內外表面按照固化曲線進行溫度加載，并以此作為工件溫度的輸入條件開展分析。

3 仿真結果分析

復合材料結構件固化變形原因主要有3類：熱膨脹系數(shù)不一致導致零件變形、化學收縮導致變形、模具和零件相互作用導致零件最終變形。減小變形的主要方法：一是優(yōu)化固化工藝參數(shù)（例如升降溫速率、保溫時間等）；二是通過調整模具型面補償?shù)姆绞絹砀纳茝秃喜牧狭慵淖冃蝃6，12-13]。分析得到不同時間段的溫度結果云圖，如圖9所示。分析結果表明：升溫初始階段，由內外表面進行加溫，初始時刻溫度由表面?zhèn)鬟f至中間，內外表面溫度比中間高（2200s）；隨著溫度的升高，固化度增大，固化反應生成熱導致中間的溫度升高，中間溫度比內外表面高（15500s）。

圖7 工件模型網(wǎng)格劃分結果Fig.7 Meshing of the part model

圖8 鋪層信息Fig.8 Ply information

固化分析結果得到不同時間段的固化度結果云圖，如圖10所示。分析結果表明：升溫初始階段（2200s）時，內外表面溫度比中間高，故而內外表面固化度比中間高；之后由于固化反應放熱導致中間溫度比內外表面高，故而中間固化度比內外表面高。

4 固化參數(shù)優(yōu)化

圖9 不同時間段零件表面及內部的溫度場分布云圖Fig.9 Cloud chart of the part temperature distribution

圖10 不同時間段零件表面及內部的固化度分布云圖Fig.10 Cloud chart of the part curing degree

根據(jù)零件結構形式，基于溫度場分析結果，U型件在固化過程中各表面位置處的溫度相差不大，可根據(jù)零件結構形式對固化參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化前零件整個固化過程的升溫速率為2.3～2.5℃/min，降溫速率為3℃/min。主要是根據(jù)零件玻璃化轉變溫度（Tg溫度）來調節(jié)零件升降溫速率，升溫速率在Tg前調整為0.5～1.5℃/min,在Tg至保溫階段前為2.0～2.5℃/min，降溫速率調整為2.3～2.7℃/min。在零件固化過程中讓樹脂充分流動，可提高零件表面質量。

本文U型件為環(huán)氧體系預浸料，優(yōu)化前根據(jù)零件數(shù)模制造成型工裝，由于熱膨脹系數(shù)不一致，整個固化過程的升溫速率為2.3～2.5℃/min，降溫速率為3℃/min，固化后零件收口4～5mm。調整升溫速率后零件收口縮小，收口2～3mm,貼模檢測仍有間隙。

5 型面補償技術結果分析

為驗證模具型面補償方法對于改進零件變形的作用，準確地指導工裝模型的修正量，由于脫模后，會往內側收縮，則修模方法為往相反方向偏移同樣的距離。根據(jù)工件的初始幾何形狀（Intial Mesh）和工件變形后的形狀（Deformed Mesh），應用ESI仿真平臺二次開發(fā)的模面補償工具Solid Distortion Compensation，計算得到補償后的工件形狀（Compensated Mesh）。基于補償后的網(wǎng)格，對工件進行新一輪的工藝變形分析。采用工裝型面補償技術，得到補償后的型面，如圖11所示。

基于U型零件溫度場分析結果，采用型面補償技術進一步優(yōu)化，結合優(yōu)化后的升溫速率進行分析和改善，陰模成型零件收口，結合材料參數(shù)和溫度邊界條件的加載，利用型面補償技術進行仿真分析。本文U型工裝將根據(jù)零件數(shù)模修正，修正后的工裝型面如圖10所示，用修正后的工裝進行固化。結果顯示，變形后的外形與理論幾何外形的差距為1.37mm，仿真結果與實際工程驗證的結果一致，在零件施加50N壓力的情況下貼模，滿足零件制造要求。

圖11 型面補償Fig.11 Profile compensation

結論

（1）U型件變形仿真溫度場分析結果表明，工裝表面與工件表面的溫度趨于一致，整個降溫過程中最高與最低的溫度差別為1.3℃?；跍囟葓龇治?，利用型面補償技術固化后的U型件產(chǎn)生向內的收口變形，變形量為1.37mm左右，仿真結果與實際工程驗證的結果一致，有工程參考應用價值。

（2）通過分析復合材料成型過程中固化變形量，采用型面補償技術，對于推動復合材料精確制造具有指導性意義。

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