肖東成

摘要：近50年來，先進復合材料因其高強度、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)點，在航空航天、機械工程、醫(yī)療、交通等行業(yè)得到了日益廣泛的應用與發(fā)展。尤其是航空制造業(yè)，復合材料在飛機中的應用比例逐年提升，成為航空工業(yè)中主要發(fā)展和研究的對象。

關鍵詞：復合材料;構件成型模具;型板改進設計

引言

隨著人類科技的快速發(fā)展，航空航天、武器裝備等高精尖領域越來越受到人們的重視，尋找一種輕質、高模量、高強度的材料已經(jīng)成為許多科研工作者的研究方向。纖維增強樹脂基復合材料能夠結合單個組份材料的特性來提高其性能或擴展其功能。與傳統(tǒng)材料相比，它們具有強度高、質量小、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點。纖維增強樹脂基復合材料根據(jù)樹脂基體的不同，主要分為熱塑性樹脂基復合材料和熱固性樹脂基復合材料。

1當前飛機先進復合材料結構裝配協(xié)調技術現(xiàn)狀

飛機先進復合材料基于本身屬性的不同，受影響的因素也不相同，由于復合材料樹脂固化收縮、模具熱膨脹系數(shù)等因素不同，直接影響復合材料制造后的尺寸精度。如果飛機復合材料部件位置不匹配，將嚴重影響后續(xù)的處理。采取強制的處理方法，金屬部件會產(chǎn)生變形的現(xiàn)象，增加了額外的應力，加之復合材料眾多的不確定因素，加劇了結構裝配協(xié)調問題。復合材料的高剛度難以將其制壓到合適位置上，對于不符合標準的構件，一般采用加墊補償?shù)姆绞竭M行適當?shù)呐浜?，這增加了經(jīng)費成本，因此必須提高結構裝配協(xié)調技術的創(chuàng)新性，減少各項因素影響而產(chǎn)生的誤差。

2復合材料構件成型模具型板改進設計策略

2.1數(shù)值模擬分析

復合材料構件熱壓罐成型是一個多場耦合的復雜過程。對復合材料傳熱情況分析如下。

1）罐內空氣與固體區(qū)域（模具和構件）之間通過氣體流動以對流換熱的方式傳遞熱量。

2）由于脫模劑傳導率低且厚度比較薄，因此可忽略其對傳熱的影響。本文仿真時假設成型模具與構件在固化中受壓力作用，模具型板上表面與構件下表面緊密貼合，兩者之間進行熱傳導。此外模具本身存在熱傳導。

3）復合材料構件內部樹脂基固化放熱，同時存在自身熱傳遞。

在以上傳熱規(guī)律的基礎上，對熱壓罐固化過程中成型模具溫度場進行模擬仿真。

2.2非等厚型板模具溫度場模擬

2.2.1梯形非等厚度型板

設計4組梯形非等厚型板，從迎風端口處開始，分別至距迎風端400mm、450mm、500mm和600mm處。原框架式成型模具型板厚度為15mm，此處對型板進行變厚度處理，將高溫區(qū)域厚度調整為20mm，其他區(qū)域降至10mm。以上4種梯形型板在不同程度上對于型板表面溫度均勻性均有所改善。其中距離迎風端500mm時，最大溫差為29.81K，相較原始型板降低了40.51%，最大溫度方差43.8K2，降低了73.65%。如圖5所示，所有型板表面在過渡區(qū)均出現(xiàn)溫度起伏區(qū)域，其中400mm和600mm在厚度過渡區(qū)域更為明顯，因此可通過對距離迎風端30%～33.3%處進行加厚處理。在厚度從20mm～10mm突變區(qū)域，型板表面出現(xiàn)最大溫度起伏，其中最大溫度起伏區(qū)域多出現(xiàn)于厚度突變交界處。隨著距迎風端距離增大，突變區(qū)域距離迎風端越遠，溫度起伏區(qū)域也隨之后移，且區(qū)域長度及溫度差隨之增大。

2.2.2階梯形非等厚度型板

由上節(jié)可知，梯形型板雖然在一定程度上有效地提高了型板表面溫度均勻性，但在厚度突變區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的溫度起伏區(qū)域。在此基礎上，設計一種階梯形型板，在高溫區(qū)域將厚度采用逐漸遞減的方式，將厚度從20mm遞減至10mm并保持。同時，根據(jù)上節(jié)所產(chǎn)生的突變處溫度起伏，將距迎風端距離增大，采用階梯形變化趨勢，取消厚度突變區(qū)域，使得高溫區(qū)域后面區(qū)域更接近于原厚度，從而緩解突變改善均勻性。較于梯形型板，階梯形型板表面云圖未出現(xiàn)明顯的起伏現(xiàn)象。階梯形型板對于溫度均勻性改善起到了一定作用，其中當距離迎風端900mm時，最大溫差與溫度方差都達到了最小值，即溫度均勻性達到最佳狀態(tài)。此時最大溫差為32.78K，相較于原始溫差降低了34.56%，溫度方差為32.26K2，下降了70.25%。

2.3連續(xù)變厚度型板

前兩種變厚度方式均為對固定區(qū)域進行厚度變厚處理，本節(jié)中提出一種從迎風端開始處冪函數(shù)連續(xù)變厚度方式。本文采用s∝xn厚度變化函數(shù)，其中s為型板厚度，x為距迎風端距離，其中n取0.5～1。當n為0.8時，最大溫差及溫度方差達到最小，即型板表面溫度均勻性最好，此時溫度方差為25.98K2。而隨著n的增大或減小，溫度方差也隨之增大或減小。周光炯等研究表明，溫度邊界層與速度邊界層成正比相關，且δt∝x0.8。當n為0.8時，即s∝x0.8時，型板厚度變化規(guī)律與溫度邊界層厚度變化規(guī)律同步，因此型板表面溫度均勻性達到最佳。

結語

本文利用FLUENT進行熱壓罐固化過程中溫度場模擬。研究發(fā)現(xiàn)型板表面低溫區(qū)域出現(xiàn)在距迎風端115mm處，約占面積25%。為有效提高型板表面溫度均勻性，本文提出一種對型板不同區(qū)域變厚度方法，分別對型板低溫區(qū)域減厚和高溫區(qū)域加厚。主要包括3種厚度方法：梯形、階梯形、連續(xù)變厚度，通過有限元仿真對改善后型板分別進行模擬型板表面溫度分布均勻性，分析得到以下結果：1）梯形型板在突然變厚度區(qū)域存在明顯的溫度起伏現(xiàn)象，其中400mm與600mm尤為明顯，因此可通過對距離迎風端30%～33.3%處進行加厚處理。2）階梯形型板未出現(xiàn)明顯溫度起伏現(xiàn)象，當距離迎風端900mm區(qū)域加厚時，溫度均勻性達到最佳狀態(tài)，溫度方差降低近70.25%。3）連續(xù)變厚度型板采用s∝x0.8函數(shù)關系時，型板厚度變化規(guī)律與溫度邊界層厚度規(guī)律一致，此時溫度均勻性最佳，結果表明此時溫度方差降低了84.37%。

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