復(fù)合材料熱壓罐成型工藝仿真技術(shù)研究綜述

劉鳳艷

摘 要：熱壓罐成型是連續(xù)纖維熱固性復(fù)合材料的主要制件方法。在熱壓罐中生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)是選擇適當?shù)募夹g(shù)參數(shù)，制定合理的技術(shù)方案。傳統(tǒng)的人工設(shè)計方法既耗時又不可重復(fù)使用。根據(jù)復(fù)合材料熱壓罐成型工藝的特點，在分析國內(nèi)外復(fù)合材料計算機輔助成型工藝研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，將基于推理的技術(shù)引入熱壓罐成型工藝設(shè)計中，使用現(xiàn)有設(shè)計資源并集成工藝仿真，以優(yōu)化工藝開發(fā)并降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料構(gòu)件;工裝設(shè)計;熱壓罐成型工藝仿真

熱壓罐是一種工藝設(shè)備，旨在滿足聚合物復(fù)合材料的成型工藝特點。使用此設(shè)備的成型方法稱為熱壓罐法。熱壓罐成型是連續(xù)纖維熱固性復(fù)合材料的主要制造方法。廣泛用于復(fù)合材料、蜂窩夾層、金屬膠接結(jié)構(gòu)成型。在成型復(fù)合材料時，熱壓罐同時提供的均勻溫度和壓力使其固化，從而在表面和內(nèi)部產(chǎn)生高質(zhì)量、復(fù)雜形狀和大面積的復(fù)合材料制件。

一、復(fù)合材料熱壓罐成型工裝仿真分析

工裝是復(fù)合預(yù)成型構(gòu)件的載體，在構(gòu)件成型固化期間，其結(jié)構(gòu)和特性會受到產(chǎn)品形狀質(zhì)量的極大影響。工裝設(shè)計通常包含選材料選擇、結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計以及溫度分析。

1.設(shè)計工裝和優(yōu)化。為了滿足工裝在鋪放、裝運、吊裝等載荷條件下的剛度和穩(wěn)定性要求，傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)工裝設(shè)計是以設(shè)計師的技術(shù)經(jīng)驗為基礎(chǔ)的。采用保守的安全系數(shù)法會導(dǎo)致工裝傳熱效率低，并在脫模后導(dǎo)致復(fù)合材料翹曲變形，從而直接使工裝制造成本和開發(fā)周期增加。如圖1（a）對比之下，工藝仿真分析可以重復(fù)熱壓罐成型試驗、加工參數(shù)和試驗。如圖1（b）研究人員將航空公司的實際要求結(jié)合起來，實現(xiàn)了快速設(shè)計和知識重用，從而開發(fā)了模塊化、統(tǒng)一、快速的工裝設(shè)計系統(tǒng)。在CATIA的基礎(chǔ)上，為復(fù)合材料的組成建立了向?qū)Ш脱b配工裝，對三維CAD軟件進行二次開發(fā)，并為模具建立了框架CAD系統(tǒng)。在分析模具功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于工裝幾何特征的參數(shù)化模具設(shè)計系統(tǒng)。一些研究人員創(chuàng)建了多個基于CATIA軟件的特征，這些特征基于曲面工裝的特征，并允許對不同特征曲面工裝進行參數(shù)化建模。這些模型可用于進一步模擬和優(yōu)化熱壓罐工藝。盡管快速設(shè)計軟件系統(tǒng)部分提高了工裝設(shè)計的效率，但特征曲面的功能受到復(fù)合材料形狀曲面特征的限制，因此復(fù)雜的復(fù)合材料需要單獨的工裝設(shè)計。因此，將參數(shù)化設(shè)計軟件應(yīng)用于實際工裝設(shè)計是很困難的。

2.分析工裝結(jié)構(gòu)的傳熱效率和型面補償。利用工藝仿真技術(shù)研究了熱壓罐中的氣體流動和工裝的熱傳導(dǎo)，從支撐結(jié)構(gòu)特性、工藝參數(shù)和工裝位置對復(fù)合材料成型工裝傳熱效率的影響。例如，國外學(xué)者針對熱壓罐中不同的工裝位置建立了具帶目標函數(shù)，并通過求解目標函數(shù)獲得了最佳的工裝位置。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了改進的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，以研究復(fù)合材料元件固化程中熱壓罐內(nèi)的位置和角度。研究人員在技術(shù)仿真的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合材料熱壓罐溫度分布、工裝支撐結(jié)構(gòu)特點和傳熱效率之間的關(guān)系。對機支撐板形成的三種不同風道（一型、十型、T型）下的工裝型面溫度均勻性進行了研究，表明T型風道下的型面溫度均勻性較低最好的。使用CFD軟件模擬工裝溫度場分布。將風扇加入至支撐結(jié)構(gòu)，以改善工裝型面底部的氣流、提高低溫傳熱效率，并改善固化過程中復(fù)合材料元件的溫度一致性。為了提高加熱效率，在固化低溫區(qū)域安裝加熱裝置，以提高固化型面和復(fù)合材料的溫度均勻性。

二、復(fù)合材料熱壓罐成型工藝仿真

隨著復(fù)合材料成型過程仿真技術(shù)的發(fā)展，基于實際層參數(shù)、成型過程、工裝和材料約束的多物理場仿真可以確定不同條件下復(fù)合材料的溫度分布、流動密度和剩余應(yīng)力分布進一步結(jié)合工藝試驗數(shù)據(jù)跟蹤或減少缺陷，如孔隙、富樹脂區(qū)、褶皺、分層等。在復(fù)合材料元件制造過程中，精確預(yù)測復(fù)合材料元件脫模后的回彈變形，并工裝型面指導(dǎo)補償。Siemens提出了一種基于simcenter3D的復(fù)合材料成型過程比較全面的仿真解決方案，包括對熱壓罐成型過程的復(fù)雜熱通量耦合分析、工裝纖維分析、復(fù)合材料成型過程的熱化學(xué)以及熱結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析。在ABAQUS平臺的基礎(chǔ)上，加拿大哥倫比亞大學(xué)開發(fā)了用于復(fù)合材料組分固化過程的商業(yè)軟件系統(tǒng)。該軟件提供了一種采用虛擬制造方法對熱化學(xué)樹脂流動固化應(yīng)力進行集成仿真的較為復(fù)雜的技術(shù)。它通過提供有關(guān)復(fù)合材料組件內(nèi)部溫度、樹脂固化、樹脂流動和修辭約束、變形分布和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，評估工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的變化對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。該軟件是為波音747、767和777飛機成功開發(fā)的。ESI開發(fā)了PAM-self復(fù)合材料凝固過程模擬軟件，主要用于解決熱壓罐中預(yù)浸料的氣流、傳熱和固化回彈問題。該軟件可以優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)和固化過程參數(shù)，有效地減少測試產(chǎn)品的數(shù)量。目前，ESI復(fù)合材料固化過程模擬軟件已廣泛應(yīng)用于空客、波音等飛機制造企業(yè)。

我國航空制造技術(shù)裝備雖然發(fā)展迅速，但航空復(fù)合材料成型技術(shù)系統(tǒng)不完善，研究基礎(chǔ)薄弱，工藝模擬系統(tǒng)不成熟，因此很難將工裝結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和成型質(zhì)量相匹配這導(dǎo)致復(fù)合材料設(shè)計制造周期長，產(chǎn)品合格率低，制造成本高。

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