復(fù)合材料熱壓罐成形模具型面補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法研究

趙敏 黃紅端

摘 要：復(fù)合材料在固化成形時(shí)經(jīng)常會出現(xiàn)變形問題，對復(fù)合材料構(gòu)件的精度、尺寸、外形產(chǎn)生了很大影響?；诖耍疚恼J(rèn)為應(yīng)通過補(bǔ)償模具型面，讓材料變形量得到抵消。從熱壓罐成型工藝概況出發(fā)，對熱壓罐成型的模具型面補(bǔ)償設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與探究，希望為相關(guān)人員提供一些幫助與建議。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；模具型面；補(bǔ)償設(shè)計(jì)

中圖分類號：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0050-02

0 引言

進(jìn)行熱壓罐成型的模具型面補(bǔ)償設(shè)計(jì)的思路是使構(gòu)件成形之后的形狀尺寸符合設(shè)計(jì)要求，高溫狀態(tài)構(gòu)件的理想形狀應(yīng)為構(gòu)件由低溫升至固化溫度發(fā)生膨脹而產(chǎn)生的形狀。固化周期模具熱變形屬于彈性變形，也就是材料經(jīng)過固化脫模會恢復(fù)到原有的模具型面形狀，設(shè)計(jì)模具型面的基礎(chǔ)是對固化點(diǎn)溫度下模具型面幾何形狀的精準(zhǔn)預(yù)測。通過對補(bǔ)償以后的數(shù)值進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)使用模具型面的熱補(bǔ)償方法進(jìn)行模具型面的設(shè)計(jì)可以使復(fù)合材料在制件成形時(shí)受到的復(fù)合材料、模具兩者的力學(xué)、熱學(xué)性能不一致與固化過程中的固件變形問題得到補(bǔ)償。

1 熱壓罐成型工藝概況

通過熱壓罐成型工藝，能夠?qū)?fù)合材料的真空度、壓力、溫度等多個工藝參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制并做到時(shí)序化，因此該工藝在新能源、交通、兵器、電子、航天航空等復(fù)合材料構(gòu)件領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但熱壓罐成型工藝在使用過程中經(jīng)常遇到一些問題。金屬成型模具與復(fù)合材料構(gòu)件相比線膨脹系數(shù)會比較大，而且樹脂基體固化前，構(gòu)件由于熱壓罐的壓力作用和模具貼的很緊，和模具較近的纖維需要承受拉應(yīng)力，這時(shí)復(fù)合材料構(gòu)件的剪切模量比較低，構(gòu)件的厚度方向應(yīng)力沒有較好的傳遞能力使其厚度方向會有應(yīng)力梯度出現(xiàn)。伴隨固化工藝不斷進(jìn)行，樹脂完完全全的固化，構(gòu)件中殘留了順著厚度方向沒有均勻分布的應(yīng)力，構(gòu)件完成固化以后釋放殘余應(yīng)力從而導(dǎo)致變形。與此同時(shí)，模具結(jié)構(gòu)形式與導(dǎo)熱性能會對復(fù)合材料構(gòu)件中分布的固化溫度場造成影響，從而對構(gòu)建中最終殘余應(yīng)力的分布與大小造成影響。

為了使熱壓罐成型工藝中復(fù)合材料成形時(shí)變形的問題得到解決，當(dāng)前使用最多的解決方法就是通過模具型面對成形受到的構(gòu)件變形量進(jìn)行補(bǔ)償性位移修正。補(bǔ)償性位移修正的方法通常是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行累積嘗試，反復(fù)多次調(diào)整模具型面并進(jìn)行補(bǔ)償性的修正加工，使模具變形得以抵消[1]。不過該方法比較耗費(fèi)材料與時(shí)間，還會使復(fù)合材料的構(gòu)建成本增加。本文認(rèn)為，應(yīng)進(jìn)行模具型面的補(bǔ)償設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬，結(jié)合有限元的理論，對模具引起的構(gòu)件變形與構(gòu)件本身熱變形進(jìn)行分離，然后通過修正模具型面來補(bǔ)償兩部分的變形量，使得模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)與固化工藝的缺陷得到彌補(bǔ)，使得構(gòu)件最終的精度、尺寸、外形等能夠符合要求。

2 熱壓罐成型的模具型面補(bǔ)償設(shè)計(jì)

2.1 補(bǔ)償設(shè)計(jì)的基本原理

當(dāng)樹脂基復(fù)合材料處于固化過程的時(shí)候，材料固化到玻璃態(tài)的溫度時(shí)會有相對穩(wěn)定的力學(xué)與物理性能，可以認(rèn)定降溫固化階段的材料變形是因?yàn)槌尚湍＞?、材料兩者間熱物理性能與材料本身熱變形不一致引起了線彈性變形[2]。與此同時(shí)，熱壓罐成型的工藝中，罐內(nèi)只有很小的溫度梯度，并且溫度場均勻分布，很多復(fù)合材料在制件時(shí)成型的溫度都低于二百攝氏度，可以認(rèn)定模具與降溫固化階段熱收縮量屬于溫度的一個線性函數(shù)，并和材料熱物理性能存在一定關(guān)系。由此可見，為了讓構(gòu)件成形以后可以符合設(shè)計(jì)形狀的需要，玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度條件下構(gòu)件理想形狀應(yīng)為從低溫提高到玻璃化的溫度點(diǎn)經(jīng)過熱膨脹產(chǎn)生的形狀。

當(dāng)復(fù)合材料處在固化的初期階段時(shí)，復(fù)合材料的鋪層是黏流性的狀態(tài)并緊緊貼在模具的表面，型面的形狀和模具的型面一樣，在處于固化點(diǎn)的時(shí)候，材料的粘彈性非常高，這時(shí)由于罐內(nèi)的壓力作用與材料應(yīng)力松弛的效應(yīng)使其型面的形狀依舊和模具的型面一樣。將P設(shè)為材料最開始型面的形狀，將D設(shè)置為模具的型面，當(dāng)材料處于固化點(diǎn)溫度的時(shí)候，將P1設(shè)置為其型面的形狀，D1設(shè)置為模具的型面，那么P=D且P1=D1。當(dāng)處于固化點(diǎn)時(shí)，材料由于收縮、松弛等一系列原因使得在轉(zhuǎn)化成玻璃態(tài)的過程會出現(xiàn)變形現(xiàn)象。如果材料在固化時(shí)玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度和固化點(diǎn)的溫度相等，那么從理論上講玻璃態(tài)的模具型面形狀與固化點(diǎn)時(shí)模具型面形狀相等[3]。

根據(jù)上述分析不難看出，在復(fù)合材料進(jìn)行制件時(shí)，固化時(shí)模具和制件幾何型面建立了緊密的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)、固化點(diǎn)聯(lián)系，如果可以了解材料固化點(diǎn)時(shí)理想的設(shè)計(jì)型面形狀，那么就可以了解到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí)模具型面是何種形狀，然后把玻璃態(tài)的模具降到室溫便能夠獲得室溫下模具形狀。在本文中，對模具型面進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)的總體思路是進(jìn)行材料有相等的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度與固化點(diǎn)溫度的假設(shè)，這樣的話模具型面在理論上玻璃態(tài)溫度的轉(zhuǎn)換點(diǎn)與固化點(diǎn)具有相同的幾何形狀。具體設(shè)計(jì)的過程主要是將升溫固化到理想固化點(diǎn)形狀的制件設(shè)計(jì)模型當(dāng)成高溫下模具型面最開始形狀的設(shè)計(jì)模型，把模具最開始的高溫模型在熱壓罐的固化降溫條件下降低到室內(nèi)的溫度來獲得常溫下模具最開始的型面模型，將這時(shí)模具型面當(dāng)作初始模具固化與復(fù)合材料構(gòu)件的型面形狀，對升溫固化過程中的構(gòu)件進(jìn)行分析，把固化點(diǎn)時(shí)構(gòu)件幾何形狀和高溫理想構(gòu)件形狀進(jìn)行比較，從而對理想高溫的模具型面形狀進(jìn)行確定。

將高溫狀態(tài)下復(fù)合材料構(gòu)件理想的型面當(dāng)成設(shè)計(jì)模具型面的根據(jù)主要是為了使模具發(fā)生熱膨脹變形引起的構(gòu)件變形與固化降溫時(shí)構(gòu)件的熱彈力變形得到補(bǔ)償。與此同時(shí)，該設(shè)計(jì)方式能夠使高溫狀態(tài)的制作型面與模具型面的一致性得到保證。

2.2 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

2.2.1 補(bǔ)償設(shè)計(jì)的過程

在本文中，補(bǔ)償設(shè)計(jì)的實(shí)際操作過程如下：第一，使用ansys有限元分析軟件把復(fù)合材料構(gòu)件由室溫順著升溫固化方向加載到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度，獲得玻璃態(tài)下理想的構(gòu)件型面幾何形狀。第二，由于固化的初始階段材料會與模具緊貼，使得模具型面的幾何形狀和材料形狀相同[3]，故將獲得的理想構(gòu)件高溫型面當(dāng)作基礎(chǔ)，對高溫下模具型面的模型進(jìn)行構(gòu)建。第三，把高溫下的模具型面模型順著降溫固化方向下降到室溫，獲得模具型面常溫下的模型。

2.2.2 確定模具型面的形狀

在本文中，使用ansys有限元分析的軟件對設(shè)計(jì)的復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行降溫固化階段的反向加載，獲得玻璃態(tài)下構(gòu)件型面的理想幾何模型。此模型即為高溫狀態(tài)下模具的原始模型。以某無人機(jī)機(jī)身上板件模具設(shè)計(jì)為例，使用構(gòu)件的原始數(shù)據(jù)反向加載出高溫狀態(tài)下的幾何形狀，等效做為高溫時(shí)模具的幾何模型：如圖1所示。

2.2.3 補(bǔ)償設(shè)計(jì)模具型面

獲得復(fù)合材料構(gòu)件的高溫模型后，使用UG軟件提取出幾何模型，用于對模具高溫時(shí)的型面與相應(yīng)等效模具模型進(jìn)行構(gòu)造。在ansys有限元分析的軟件中，把高溫等效的模具模型順著降溫固化方向降低到室溫，獲得模具在室溫時(shí)離散的等效模型。見圖2。

復(fù)合材料在固化時(shí)出現(xiàn)的化學(xué)收縮應(yīng)變主要由狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)材料物理性能決定，無法借助模具型面來補(bǔ)償，因此在本文中數(shù)值模擬過程在升溫固化的階段未對化學(xué)收縮造成的應(yīng)變、應(yīng)力進(jìn)行考慮，只對材料在固化時(shí)熱膨脹系數(shù)與固化反應(yīng)的放熱變化影響應(yīng)力、變形的情況進(jìn)行考慮[4]。升溫固化時(shí)應(yīng)選取合理的加載周期，使固化周期中整體的熱壓罐壓力、溫度均勻分布。

2.2.4 分析模擬的結(jié)果

在固化時(shí)復(fù)合材料主要受到的約束為模具支撐約束與熱壓罐對材料表面施加的氣壓約束，復(fù)合材料固化的過程是從粘流態(tài)經(jīng)過橡膠態(tài)轉(zhuǎn)化成玻璃態(tài)，這一過程中，材料受到應(yīng)力松弛作用能夠快速將升溫固化階段的應(yīng)力釋放掉。為使固化模擬過程中材料徑向約束帶來的材料應(yīng)力無法釋放而引起的材料中間變形隆起進(jìn)行消除，本文進(jìn)行模擬時(shí)將橡膠層設(shè)置于模具與材料的邊緣部分，使材料受到的模具徑向約束得以平衡，模具與材料其他的部分設(shè)置成接觸約束，讓模擬的過程和具體狀況更加接近。從補(bǔ)償模具型面溫度的結(jié)果可以看出，通過補(bǔ)償模具型面溫度可以使固化周期中材料熱彈性的變形量得到補(bǔ)償。

3 結(jié)語

總而言之，運(yùn)用熱壓罐成型工藝對復(fù)合材料的模具型面進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。在本文中使用的模具型面補(bǔ)償法主要以構(gòu)件彈性的變形機(jī)理為基礎(chǔ)，在補(bǔ)償時(shí)對升溫固化階段模具的熱變形與降溫固化階段構(gòu)件的熱彈性變形進(jìn)行了綜合考慮，屬于物理補(bǔ)償法。通過模擬設(shè)計(jì)模具型面之后的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，使用模具型面的熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)法可以對復(fù)合材料在制件成形時(shí)的變形問題得到有效解決。

參考文獻(xiàn)

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