热压罐工艺温度场研究综述

热压罐工艺温度场研究综述

1热压罐的尺寸、长度和厚度热压罐法是研究和制造高质量先进合金材料材料的主要工艺方法之一。现今,先进航空复合材料构件的长度、宽度和厚度尺寸越来越大,为了适应这些构件的制造需求,热压罐的直径和长度也越来越大。近来,美国已经用号称全球最大的热压罐(工作区面积为Φ9×23m)来制造B787复合材料机身段,见图1。因此,随着先进复合材料构件尺寸和热压罐设备尺寸的变大,与之紧密相关的成型温度场备受科研工作者和工程技术人员的重视和关心。2热压罐工艺成型时温度场分布在热压罐工艺中,以电热阻丝作为加热源,以流体介质(低温一般为空气,高温为惰性气体)作为传热载体,以风机作为动力,完成对模具进行循环加热过程;降温时通过循环水带走热量来完成。温度比较高时,热压罐罐壁蓄热比较大,无论是升温过程还是降温过程在罐壁和框架式模具间都会发生热辐射。在热历程中,框架式模具内部各点总会出现温度差异从而引起其内部热传导发生,整个过程如图2所示。先进航空复合材料构件采用热压罐工艺成型时,在升温过程中热源有两个:一个是电热源(热阻丝),另一个是内热源(树脂基复合材料固化放热),热源的热量传递路径见图3。热压罐工艺成型先进复合材料航空构件时,在降温过程中材料固化反应几乎已经完全结束,所以可以忽略内热源。此时,热量主要通过传热载体(一般为气体)向冷水管传递。降温时的热量传递路径见图4。从以上分析可以看出,先进复合材料航空构件采用热压罐工艺成型时,其温度场分布是一个非常复杂的问题,常常按两种研究途径来进行,分别为数值模拟和实验测试。按研究对象分三个层次来研究,分别为热压罐温度场、框架式模具温度场和构件温度场。在这里,我们分别从三个层次来综述热压罐成型时温度场的研究现状。3模拟和实验测试热压罐工艺的温度场研究通常主要采用两种途径来进行:数值模拟和实验测试。两种途径根据实际需求不同各有自身的优缺点,见表1,而且两种途径的优劣常常互为补充。4热压罐技术的温度场4.1热压罐温度场模拟美国波音标准关于热压罐温度场均匀性规定:对于每约283.17m3(10000立方英尺)及其以下的热压罐区域,如图5所示放置9个热电偶,以大约5.5℃/min的速率将罐温加热至127℃(或182℃)。在控制热电偶达到127℃(或182℃)后的10min内使热压罐进入保温状态,每个热电偶的读数应为127±5.5℃(或182±5.5℃)。加拿大AndrewJohnston等通过实验测量三种规格热压罐热历程的传热系数来预测热压罐温度场分布,分析压力可以明显改善热压罐温度场的均匀性和缩短热历程时间。国内昌飞公司贾成贵等对有效尺寸Φ2.6×8.0m的热压罐通过强循环气体加热,当存在压力时实验测得温度均匀度为±1.5℃。北京航空制造工程研究所对有效尺寸Φ3.5×9.0m的热压罐通过强循环气体加热,当存在压力达200℃时实验测得温度均匀度为±1.8℃。从以上可以看出,热压罐空载温度场均匀度都比较小,研究比较成熟,已经形成工程化的验收标准。4.2模具工装制造美国Gniatczyk等指出从模具温度场均匀性角度考虑把复合材料成型模具做成“蛋箱”形的框架式模具。MichaelC.Y.Niu在介绍模具工装制造时指出“蛋箱”形框架式模具有两个优点,减重和加速模具底部传热。国内梁宪珠等指出框架式模具“结构厚度均匀,通风好,升降温快,有利于模具各点温度均匀,可减小模具在升降温过程中因各部位温度不一样引起的模具变形”。陈唤民等指出框架式模具“重量轻,热容量小,热传导效果好,温度场较均匀”。但是,根据最近所查文献,无论是通过数值模拟还是实验手段,都未对框架式模具温度场的传热机理、传热路径和影响因素及其影响规律进行深入研究。4.3组件温度场4.3.1国外材料厅的研究现状和研究(1)厚截面层板温度与温度变化规律LossandSpringer推导了单向AS4/环氧复合材料平直板制造工艺的一维模拟模型:热-化学模型,发现当层板厚度超过1.27cm后,将出现不可接受的温度梯度和比较差的压实度。对厚度为3.56cm的复合材料构件在不同固化历程下的固化情况进行模拟,发现复合材料压实后,固化前缓慢的升温速率能够将温度梯度控制在允许的范围内,但制造时间增加了27%。Kays对大面积厚截面层板进行了综合研究,推导了1-D固化模拟模型,评价了各种热压罐程序、固化监测和无损检测技术,分析了几何形态对固化厚截面层板的贡献,发现制造工艺对厚截面复合材料内部微裂纹的发展和脱胶有显著影响。Twardowski等对厚截面(大于等于5cm)层板的温度分布、固化度以及粘度进行了1-D模拟,并和层板温度的直接测量值进行了比较,发现初始固化度对层板温度的影响不大,而压实则对层板的温度、固化度以及粘度曲线有明显影响。指出了厚层合板在固化中温度梯度会导致粘性和固化度的各向异性,温度峰值首先出现在层板表面附近,然后逐渐向中央移动达到最大值。Bogetti与Giliespie研究了热固性厚截面复合材料的二维固化模拟,他们考虑了热传导与固化动力学的耦合,预测了任意横截面位置的温度、固化度分布和热压罐温度的关系。Shin研究了厚截面复合材料的智能工艺,不但给出了工艺模型,还考虑了辅助材料(吸胶布)对温度场的影响。将数值模拟结果和试验进行了对比,发现随着构件厚度的增加,二者的离散程度变大。(2)热传导模型的建立与有限差分法比较,采用有限元法研究复合材料制造工艺有很多优势,用有限元法进行研究的文献有很多。Blest等研究了热压罐固化多铺层热固性树脂基复合材料的热传递模型和模拟,认为数值模型和已有的试验数据比较近似有效。Antonucci等专门研究了热压罐法制造厚截面复合材料,考虑了热压罐空气温度与真空袋以及模板之间的热交换。Yi等用非线性瞬态热传递模型模拟热固性树脂基复合材料的制造工艺,通过求解包含内热源的非线性各向异性热传导方程得到层板内的温度分布。OhJHandLee等用通用有限元软件包对热压罐制造树脂基复合材料过程温度的变化进行了模拟,从含有非线性内热源的热传导方程出发,建立了用于分析复合材料制造过程中热传导问题的有限元公式,进而结合固化反应放热机理,以通用有限元软件包ANSYS为依托,用制造一般厚度树脂基复合材料的固化历程对厚度分别为1cm、2cm构件制造过程中的温度场进行了模拟,同时对厚截面玻璃/环氧复合材料层板进行了3-D模拟固化,给出了构件内部的温度场以及树脂内的压力场。分析了吸胶布数量、模板厚度以及真空袋与热压罐内环境温度的有效热交换系数等辅助材料对温度场的影响。(3)模型的关于真空袋组件、模板以及树脂流动对热传导的影响热压罐法制造复合材料时,辅助材料是必不可少的,如真空袋、密封胶带、透气毡、脱膜布、吸胶布、模板以及压敏胶带,它们在获得良好纤维与树脂界面、均匀的树脂分布、低的空隙含量和精确的几何尺寸等方面起着重要作用。所以在考虑复合材料制造过程的模型时应该考虑辅助材料的影响。BogettiandGillespie通过定义和控制有效热传递参数h/keff来考虑真空袋组件、模板以及树脂流动对玻璃/聚酯复合材料制造工艺的影响。但是这一对流边界条件并不能准确模拟辅助材料的影响,因为有效热传递参数取决于模板、成型膜具厚度以及吸胶层和真空袋组件的几何形状等。YiandHilton的研究也发现真空袋组件对温度和固化度有显著影响。V.Antonucci等人分析固化材料与热压罐环境之间的热传导,提出了一种在线控制热压罐中热传导的一种新方法并进行了试验验证,分别在考虑和不考虑固化反应放热的情况下,提出了简化的热传导模型,并在机翼壁板上得以应用及验证。固化反应开始前用此方程来计算对流换热系数,并用来预测程控热压罐流体温度的热分布图。4.3.2材料非线性热层合技术国内对复合材料温度场研究并不多。大连理工大学陈浩然的研究组对这方面做过系统的研究,但是他们的研究多集中在数值模拟和已有试验数据的比较上,对物性参数、辅助材料的影响仅仅做了简单的分析。哈尔滨工业大学复合材料研究所智能结构组对复合材料的成型工艺也进行了系统研究。特别是对厚截面复合材料的温度场进行了研究,发现在构件内部存在严重的温度梯度,而且随着厚度的增加,温度梯度增大。南航左德峰等人研究了复合材料热固化过程中温度场分布的数学模型,利用有限元方法结合oop(objectorientedprogramming目标定向程序)技术实现对复合材料固化过程中温度场的数值模拟,讨论了板厚、升温速率等因素对温度分布的影响,固化过程的升温速率应根据复合材料层板的厚度来选择以保证温度的均匀分布。胡训传等用1-D有限元模型对弹翼结构进行了非线性、瞬态温度场计算,其中考虑了材料热传导系数随温度变化的相关性。杨自春研究了复合材料的热导率、对流换热系数及比热容等热物性参数随温度变化的层合板的非线性热传导问题。通过数值算例分析材料非线性对复合材料层合板非线性热传导瞬态温度场有显著影响。基于一阶热层合理论,得出了复合材料层合板瞬态温度场有限元方程及逐步积分算法。按照该方法我们可以导出高阶热层合理论,考虑材料非线性时层合板瞬态和稳态温度场分析的非线性高阶热层合理论和其有限元方程。目前,北航张纪奎等对热固性复合材料固化中温度场进行了三维有限元分析,他们根据热传导和固化动力学理论,采用三维有限元法对正交各向异性复合材料层合板固化过程的温度和固化历程及变化规律进行数值模拟研究。复合材料层合板由于外部环境和本身固化反应化学放热引起层合板内部产生温度梯度,不均匀的温度场引起残余应力和残余变形,这是导致复合材料早期破坏的根本原因。除了上述用有限元模型预测的方法研究解决厚截面复合材料制造过程中出现的温度梯度及其导致的固化度不均,还有一些其它方法研究,如预吸胶技术、增加降温和再升温法等。纵观这些研究发现,以有限元模型为基础的预测占大多数。另外,白树成等通过实验的方式对热压罐工艺成型大尺寸复合材料构件的温度场均匀性进行控制,满足了构件的设计尺寸精度。但是,上述构件温度场的研究大多数都是基于层合板或者蒙皮级构件而言,对壁板级和盒段级构件研究特别是数值模拟研究比较少。5热压罐温度场验收通过分析热压罐