数值模拟仿真技术在复合材料热压罐工艺制备过程中的应用

数值模拟仿真技术在复合材料热压罐工艺制备过程中的应用摘要：随着国内航空领域对复合材料产量需求的不断增加，高效，低成本且质量可控的复合材料制备工艺也愈发重要。由于制备工艺过程复杂，影响因素多，所以长期以来研发与改进均以经验和试验为主，导致研发过程高周期，高成本，难以满足其快速发展的需求。当前，数值模拟仿真技术蓬勃发展，利用数值模拟方法能够有效地指导工艺和工装的设计优化，为复合材料研发模式从传统的积木式验证向数字化制造模式转变提供有力的技术支撑。本文结合国内外研究发展现状，介绍了数值模拟仿真技术在复合材料热压罐制备工艺领域的应用。关键词：热压罐；数值模拟；固化变形；温度场1前言同金属材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料（本文后续提到的复合材料就是碳纤维增强树脂基复合材料）具有比强度高、比模量大、耐高温、抗腐蚀、可设计性强以及隐身性好等系列优点。20世纪70年代初即开始应用在飞机结构上，目前在航空领域得到广泛应用，继铝、钢、钛之后，迅速发展成航空4大结构材料之一[1],需求量逐年增加。复合材料成型具有材料制造与构件成型同时完成的特点，其性能通过工艺制造过程被赋予到构件上，因此复合材料构件的成型过程就突显出其重要性，所以对复合材料构件的制造过程进行深入的机理性研究，并对影响成型质量的各种因素进行有效合理控制是提高我国复合材料制造水平的关键点之一。长期以来，复合材料制备工艺的研发与改进主要依靠经验和试验，但是使用经验或者试验试错法进行研发，不仅成本高昂，效率低下，而且难以针对特定构件结构进行参数化优化，严重制约了复合材料的发展[2]。随着计算机技术的飞速发展，制造过程的数值模拟仿真技术也蓬勃发展起来。数值模拟仿真技术能够对复合材料工艺过程进行模拟，并对最终零件外形质量进行预测和分析，这种工艺研发手段能够减少试验次数，降低研发成本约33%[3]、缩短研发周期，数值模拟技术的应用还能够大幅降低材料和能源消耗，实现复合材料的快速绿色制造。国内外对复合材料成型过程的数值模拟技术进行了一些研究，均取得了良好的进展，能够对一些结构进行工艺仿真和优化，提高产品质量和工艺稳定性。近些年来，随着复合材料智能化制造、大数据制造技术的发展，利用计算机的数值仿真技术实现快速低成本的复合材料工艺研发更是大势所趋。目前数值模拟软件应用于热压罐成型工艺的，主要有LaminateTools，FiberSIM，ESAComp，CATIACPD，COMPRO以及通用有限元软件ANSYS，ABAQUS等。2.热压罐工艺中的数值模拟仿真技术热压罐成型技术主要作用是通过内部的高温压缩空气对复合材料构件进行加热和加压，确保复合材料固化成型的工艺条件，直至完成复合材料的固化程序性过程[4]。复合材料的热压罐成型工艺过程是一个涉及到对流换热、结构受热变形和固化反应的复杂物理化学过程。完整的热压罐工艺分析方案应考虑的因素应包括：热压罐内的流体与固体间的对流换热；真空袋等辅助材料对传热过程的影响；预浸料的固化反应及反应放热；固化过程中树脂在纤维床中的流动情况；模具的传热与热膨胀变形；预浸料玻璃态转变前后材料性能的变化；模具与预浸料的相互作用及脱模过程等。2.1热压罐内温度场仿真技术热压罐通过气流向构件传递热量，而流场合理分布是保证零件固化质量的前提[5]。气流分布均匀，会使得工装与构件上出现较大的温度差，影响构件的最终的固化质量。采用传统的试验手段进行研究，同一构件需要多次进罐试验，分析其温度场的分布规律，这对于大尺寸的复杂构件研究成本过高。况且不同型号的热压罐、不同构件的摆放位置及不同的工装设计均会对温度场的分布造成影响，并且试验手段只能对已完成制造的工装温度场分布进行优化，而无法在设计之初就对工装结构及摆放位置等提出优化方案。利用数值模拟技术能够解决上述问题，随着计算流体力学的发展，热压罐内温度场的仿真模拟技术也在不断完善。李先聚等[6]使用Comsol软件对热压罐罐门结构对罐内流场的影响进行了分析。林家冠等[7]对热压罐内的流动场和温度场进行了分析，并提出通过在工装特定区域安装风扇的方法解决温度场均匀性的问题。白光辉等[8]对大型复杂框架式模具的传热过程进行数值模拟分析，得出了复合材料固化过程中，框架式模具表面温度场的分布规律，并通过试验验证，继而提出了大型框架式模具的设计方法。通过数值模拟仿真技术可以得到工装表面和零件表面的温度场分布，得到温度超前及滞后区域的位置，大幅降低试验次数，并对试验进行优化，从而到达提高效率，降低成本的目的。2.2固化变性预测仿真技术由于材料物理性质的各向异性和铺层结构的不对称性会导致固化过程中出现固化变形。首先，纤维和基体的热膨胀系数不同，导致复合材料的热膨胀特性在两个方向上呈现正交各向异性分布。其次，基体材料在固化过程中会出现收缩现象，而在纤维方向上，由于纤维收缩不明显限制了基体材料在其方向上的收缩，导致材料收缩的各向异性发生，二者耦合作用会产额外的弯矩，导致构件发生变形。随着对固化变形机理的深入研究，发现工装对固化变形具有重要影响。由于构件的尺寸，铺层，外形结构在设计时就已确定，一般不会修改，因此控制固化变形一般是对工装进行优化，通过反变形的方式对工装设计进行补偿，从而达到控制构件的变形的目的。对于结构简单的构件可以靠经验进行修模，但是对于大尺寸的复杂构件，往往需要多次试验才能确定合适的工装补偿量。而利用数值模拟技术能够对固化变形过程进行仿真，预测出变形趋势和大小，得到初步的工装补偿量，然后再对补偿后的构件进行进行固化变形预测，逐步迭代，最后得出最优的工装补偿量。数值模拟技术的应用大大减少了实际修模次数，降低了成本和研发周期。2.3热隔膜工艺仿真随着航空领域对复合材料需求的不断增加，传统手工铺叠的作业方式已经难以满足日益增长的发展需求，利用自动化设备提高生产效率已经成为当务之急。热隔膜成型工艺能够配合自动化铺叠设备，提高生产效率，提升R区铺叠质量，是加工梁和长桁类大细长零件的优良工艺。复合材料的热隔膜成型工艺中，温度、折弯速率、真空度是控制整个工艺过程的重要参数，温度会影响层层之间的滑移；折弯速率不当会导致R区出现褶皱等缺陷；真空度则决定料层能否紧工装表面，也会影响料层间的压紧力和层间滑移阻力。目前国内多家单位利用数值模拟技术对热隔膜预成型过程展开研究，并有望突破热隔膜数值模拟的瓶颈，为低成本，高效率的制造提供技术支持。3.结束语随着复合材料在航空领域的广泛应用，构件尺寸逐渐加大，结构与功能也愈发复杂，利用数值模拟技术对制备过程进行快速，低成本研发就显得尤为重要，也是复合材料构件制备过程中研究的热点之一，该技术今后必将在航空复合材料领域发挥更大作用。[1]元振毅.复合材料制造过程仿真技术综述.[J].航空制造技术(4期):47-53.[2]宁振波,王立书,邓虎.航空数字化技术的新发展——工艺仿真系统[J].航空制造技术,2011(Z1):83-85.[3]王翾.热压罐工艺仿真技术[J].航空制造技术,2011(20):105-108[4]CHARLESR.Acceleratedinsertionofmaterials-composites[J].AIAA,1998,153(13):197.[5]陈磊.复合材料热压罐成型固化回弹变形预测及其优化[D].[6]李先聚,陈秀丽,张浩东,等.热压罐传热分析[J].石油化工应用,2009(2):114