復(fù)合材料框架式成型中的模具設(shè)計(jì)研究

李新榮，淑 梅，王 霞，萬(wàn) 永

（中車(chē)眉山車(chē)輛有限公司，四川眉山 620000）

0 引言

復(fù)合材料具有高比剛度、高比強(qiáng)度、耐腐蝕及熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于航空航天領(lǐng)域，其用量和應(yīng)用水平是評(píng)估飛行器制作水平的一個(gè)重要標(biāo)志[1]。作為飛機(jī)機(jī)體新一代結(jié)構(gòu)材料，復(fù)合材料具有較高的產(chǎn)品制造質(zhì)量要求。一般復(fù)合材料產(chǎn)品會(huì)在成型模具內(nèi)制造，結(jié)構(gòu)成型和材料制造兩者同時(shí)完成，所以，模具對(duì)復(fù)合材料構(gòu)建尺寸、外形及配合其他構(gòu)件精度等具有決定性影響。為提升復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，很多研究者將模具設(shè)計(jì)融入到參數(shù)化設(shè)計(jì)、知識(shí)工程和模板化設(shè)計(jì)中。盡管在復(fù)合材料框架式模具設(shè)計(jì)時(shí)選擇了數(shù)字化方式，然而，設(shè)計(jì)人員仍需要手繪草圖與創(chuàng)建特征等工作，且還要對(duì)底板、支撐板等逐步建模，而且模具一般都較為笨重，沒(méi)有校核模型溫度分布與變形情況，模具設(shè)計(jì)精準(zhǔn)性不足[2]。為優(yōu)化以上狀況，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)效率的提升，需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)考慮周全，避免模具影響復(fù)合材料制件，需要針對(duì)該框架式模具創(chuàng)建快速建模方法，并對(duì)模型實(shí)施有限元分析，依照分析結(jié)果調(diào)整優(yōu)化模型，同時(shí)在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)回彈與尺寸加以補(bǔ)償，以得到行之有效的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合材料框架式成型需要借助模具實(shí)現(xiàn)，有必要經(jīng)加熱和保溫等一系列操作后，對(duì)復(fù)合材料固化成型，這就提高了對(duì)成型模具熱傳導(dǎo)性、溫度場(chǎng)分布的要求。框架式成型模具有著輕便的結(jié)構(gòu)，支撐板有很多散熱通風(fēng)孔，可提高傳熱效率，而且模具型面可快速加熱，溫度可均勻分布，因此被廣泛用于飛機(jī)制造[4]?？蚣苁匠尚湍＞咧饕芍谓Y(jié)構(gòu)、型面板組成，其中支撐結(jié)構(gòu)又由底板、支撐板和叉車(chē)槽組成。框架式成型模具結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 框架式成型模具

型面板表面主要接觸預(yù)浸料，用于復(fù)合材料構(gòu)件成型，其下表面貼合支撐板。通常將支撐板劃分為外支撐板、內(nèi)支撐板兩種，根據(jù)特定布局表現(xiàn)為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，V 向與U 向支撐板結(jié)合位置借助卡槽連接，支撐板有散熱孔與通風(fēng)孔，有助于提升復(fù)合材料成型質(zhì)量。

2 快速化建模方法

當(dāng)前設(shè)計(jì)者多選擇CATIA 軟件設(shè)計(jì)模具模型，建模需要依照產(chǎn)品型面展開(kāi)提取、延伸、接合、厚曲面和剪貼等操作，以制作模具型面板，再通過(guò)平面偏置、草圖繪制、凸臺(tái)和凹槽等操作形成連接型面板的隔板與隔板通風(fēng)孔。因?yàn)楦舭遢^多，繪制隔板工作量大，而且基本上屬于重復(fù)性操作，所以更改難度大，會(huì)占用大量設(shè)計(jì)時(shí)間[5]。借助“產(chǎn)品智能模板”將建模時(shí)草圖繪制、凹槽以及凸臺(tái)等集合于一個(gè)命令中，并對(duì)其集中封裝，具體見(jiàn)圖2。如果操作步驟相同，僅需在“從選擇實(shí)例化”中引用命令集合就能完成操作，見(jiàn)圖3，該操作可有效避免通風(fēng)孔與隔板繪制時(shí)重復(fù)操作的情況。

圖2 創(chuàng)建超級(jí)副本

圖3 從選擇實(shí)例化

在建模前期，借助圖4“知識(shí)工程”中的“公式”一欄命令定義所需調(diào)整參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行參數(shù)賦值，見(jiàn)圖5。后期僅需更改賦值，即可驅(qū)動(dòng)調(diào)整參數(shù)值，也可借助定義公式，對(duì)變量間關(guān)系進(jìn)行界定，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)變量根據(jù)另一變量改變而改變，最終達(dá)到參數(shù)變量化目標(biāo)。

圖4 知識(shí)工程工具欄

圖5 “公式”命令定義參數(shù)

該建模方法對(duì)支撐隔板厚度、縱橫向支撐隔板數(shù)量、型面板厚度以及通風(fēng)孔定位尺寸等參數(shù)實(shí)施變量化，同時(shí)快速設(shè)計(jì)，形成圖6 所示的CATIA 模型樹(shù)參與定義[6]。該情況下，在合理范圍內(nèi)更改參數(shù)數(shù)值，視圖刷新，同時(shí)更改模型后，使其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)更改需求。

圖6 CATIA 模型樹(shù)參數(shù)定義

綜上，基于“超級(jí)副本”與“公式”的建模在很大程度上縮短了復(fù)合材料框架式模具建模時(shí)間，便于模具設(shè)計(jì)與更改，此為對(duì)模型展開(kāi)有限元分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3 有限元模型分析

通常模具強(qiáng)度校核主要采用經(jīng)驗(yàn)法，制定支撐隔板間距、厚度以及通風(fēng)孔尺寸時(shí)，采用保守設(shè)計(jì)，例如，縮小隔板間距、增加隔板厚度，該方法可優(yōu)化模具性能，然而，缺點(diǎn)在于會(huì)導(dǎo)致材料浪費(fèi)，而且模具制造周期也比較長(zhǎng)，由此就需要通過(guò)有限元分析法校核模具鋪貼、吊裝以及移動(dòng)等工況下的變形情況，以明確模具設(shè)計(jì)是否可行。如果應(yīng)力與變形允許，調(diào)整模型設(shè)計(jì)參數(shù)，確保模具在符合性能基礎(chǔ)上縮減重量，節(jié)約加工與材料成本。尤其是對(duì)大尺寸梁類(lèi)與蒙皮復(fù)合材料模具，框架式支撐結(jié)構(gòu)為其主體，很多材料、焊接成本都會(huì)在該環(huán)節(jié)消耗掉，所以需要借助有限元分析對(duì)最佳支撐板結(jié)構(gòu)布局和尺寸進(jìn)行選擇，在確保復(fù)合材料制件成型質(zhì)量前提下，盡可能節(jié)約模具經(jīng)濟(jì)成本[7]。

針對(duì)不同型號(hào)模型，選擇CATIA 分析其正常起吊、極限起吊、移動(dòng)以及鋪貼工況，選擇Q235 模具材料，各工況下的邊界條件見(jiàn)表1，兩個(gè)模型應(yīng)力與變形最大值見(jiàn)表2。

表1 各工況下的邊界條件

表2 各工況下有限元分析

對(duì)比1#模型，工況相同時(shí)的2#模型應(yīng)力和變形都比較小，兩種模型都符合設(shè)計(jì)要求，但采用1#可減輕模具重量，縮減材料成本。通過(guò)熱壓罐固化時(shí)，對(duì)模具熱變形與溫度分布進(jìn)行分析，選擇CATIA 創(chuàng)建規(guī)格為?5.5 m×13 m 的模型與1.2 m×3.15 m×0.585 m 的鋼框架式模型，熱壓罐溫度邊界條件是時(shí)間函數(shù)，具體見(jiàn)圖7[8]。經(jīng)計(jì)算所提取不同時(shí)刻點(diǎn)的模具型面溫度云圖見(jiàn)圖8。

圖7 熱壓罐溫度邊界條件

圖8 模具型面溫度云圖

選擇ABAQUS 計(jì)算工裝模型變形時(shí)，所用模具材料為Q235 鋼，將初始溫度設(shè)為20 ℃，終極溫度設(shè)為180 ℃，模具腳輪處增加位移約束，計(jì)算出該溫度差情況下的模具變形量，結(jié)果顯示，模具變形最大值在四個(gè)邊角位置，變形量是3.3 mm。由此可知，高溫固化時(shí)，大尺寸鋼材料模具變形量較大。

4 模具設(shè)計(jì)補(bǔ)償

4.1 尺寸補(bǔ)償和公式

模具材料和復(fù)合材料如果有不同熱膨脹系數(shù)，則會(huì)影響復(fù)合材料制件固化后的外形與尺寸準(zhǔn)確性，尺寸較小的模具熱膨脹幾乎不會(huì)影響到復(fù)合材料的零件，但如果模具尺寸太大，再加上復(fù)合材料零件存在重要的外形或裝配特征時(shí)，需要考慮復(fù)合材料和模具材料熱膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)模具過(guò)程中做好尺寸補(bǔ)償工作。

如果復(fù)合材料和模具材料熱膨脹系數(shù)有差別，假設(shè)A 是模具理論尺寸，B 是模具考慮設(shè)計(jì)補(bǔ)償尺寸，△T 是室溫和固化溫度差值，σ 是模具尺寸補(bǔ)償系數(shù)，ψA是復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)，ψB是模具材料熱膨脹系數(shù)。那么室溫鋪貼過(guò)程中，復(fù)合材料零件的凈邊尺寸是A，型面零件凈邊線(xiàn)距離是B。高溫固化溫度的固化反應(yīng)完成時(shí)，型面零件凈邊線(xiàn)B 距離受熱膨脹到（B+B×△T×ψB），而A 受熱膨脹到（A+A×△T×ψA），兩者尺寸一致。在從固化溫度下降到室溫的情況下，模具型面上所刻的零件凈邊線(xiàn)距離從（B+B×△T×ψB）收縮到B，而復(fù)合材料零件尺寸則從（A+A×△T×ψA）收縮到A，具體如圖9 所示。

圖9 模具尺寸補(bǔ)償原理

由此計(jì)算：A+A×△T×ψA=B+B×△T×ψB，補(bǔ)償系數(shù)為：

σ=B/A=（1+△T×ψA）/（1+△T×ψB）

復(fù)合材料制件形狀復(fù)雜，裝配要求高，制件過(guò)程中必須固化脫模并鉆出切邊或裝配用基準(zhǔn)孔的情況下，所選模具縮放基準(zhǔn)直接影響到基準(zhǔn)孔位置準(zhǔn)確與否。

4.2 回彈變形和補(bǔ)償

大曲率復(fù)材筋條、蒙皮、梁等零件模具設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮到制件固化脫模所產(chǎn)生的回彈影響。通常來(lái)說(shuō)，回彈和制件結(jié)構(gòu)、成型工藝、模具材料和鋪層角度等因素密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)模具過(guò)程中，回彈補(bǔ)償會(huì)縮減制件固化變形，減少裝配應(yīng)力，但又很難明確補(bǔ)償系數(shù)。

制作筋條、梁、肋等復(fù)合材料時(shí)，回彈補(bǔ)償是在設(shè)計(jì)模具過(guò)程中加入回彈量，例如C 形梁，模具設(shè)計(jì)過(guò)程為：（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，基于此截取典型部段作為試驗(yàn)件，以設(shè)計(jì)和制作模具，該情況下的模具設(shè)計(jì)無(wú)需考慮回彈影響；（2）制造試驗(yàn)件；（3）檢測(cè)試驗(yàn)件和模具，依照檢測(cè)結(jié)果，對(duì)模具和試驗(yàn)件角度差值進(jìn)行計(jì)算，此為回彈角；（4）根據(jù)回彈角度，設(shè)計(jì)正式模具。

基于試驗(yàn)件制造經(jīng)驗(yàn)，熱壓罐陽(yáng)模成型工藝制作的C 形梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖10 所示回彈方向設(shè)計(jì)模具，而陰模成型C 形梁結(jié)構(gòu)則根據(jù)圖11 所示回彈方向設(shè)計(jì)。

圖10 陽(yáng)模成型C 形梁回彈方向

圖11 陰模成型C 形梁回彈方向

一般C 形梁各部位鋪層有所差異，C 形翻邊位置角度也會(huì)有所改變，因此各部位回彈角度值也不相同，由此設(shè)計(jì)人員就要依照工藝試驗(yàn)件，與實(shí)際相結(jié)合，對(duì)回彈補(bǔ)償加以綜合考慮。復(fù)合材料中的變曲率蒙皮，當(dāng)前仍就采用試驗(yàn)件制造方式明確回彈量與回彈方向，因?yàn)椴煌恢玫幕貜椓看笮∮兴町?，因此要獲得各位置回彈量，設(shè)計(jì)模具時(shí)在理論型面不同位置展開(kāi)不同量補(bǔ)償，補(bǔ)償后制定模具型面難度較大。有學(xué)者創(chuàng)建以構(gòu)建型面節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)的工裝型面補(bǔ)償模型，借助新構(gòu)件型面對(duì)新工裝型面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并展開(kāi)變形預(yù)測(cè)，這一方法在我國(guó)很多主機(jī)廠(chǎng)工裝系統(tǒng)中有所應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前多以普通鋼為模具材料，高溫固化溫度下，該模具尺寸具有較差穩(wěn)定性，所成型零件外形、尺寸和預(yù)期設(shè)定存在差異性，因此對(duì)外形特征復(fù)雜、尺寸大且具有較高精度要求的復(fù)合材料，例如，制備中央翼盒、機(jī)翼壁板等，需要采用接近復(fù)合材料膨脹系數(shù)的工裝材料展開(kāi)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而降低模具對(duì)制件固化產(chǎn)生的影響。因?yàn)轱w機(jī)復(fù)合材料外形大多是不規(guī)則曲面，模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，補(bǔ)償制件固化變形對(duì)有限元分析比較依賴(lài)，由此就要在制造模具前，通過(guò)有限元分析軟件模擬模具數(shù)值，檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)，以節(jié)約試模和返修時(shí)間，實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)生產(chǎn)率的提升。