熱壓罐成型工藝是目前廣泛應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的主要成型方法。在成型過程中，復(fù)合材料制件是在高溫高壓下與工裝一起放進(jìn)熱壓罐中固化成型，制件固化成型后幾乎不再做任何加工，外表尺寸應(yīng)滿足裝配協(xié)調(diào)要求，不允許強(qiáng)迫裝配。然而，工裝在整個(gè)成型過程中因承受高溫?zé)彷d荷、自身重力及成型輔助件壓力的共同作用而發(fā)生變形，工裝的變形直接影響到制件固化變形而最終影響到復(fù)合材料制件的實(shí)際形狀和尺寸精度。
針對(duì)目前較為常用的熱壓罐成型工裝，國(guó)內(nèi)外對(duì)熱壓罐成型工藝參數(shù)和工裝結(jié)構(gòu)因素對(duì)工裝溫度場(chǎng)均勻性的影響進(jìn)行了研究[1-3]，并研究了固化工裝變形對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響[4-6]。岳廣全等[7] 針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用較多的框架式工裝在工藝過程中的變形進(jìn)行了研究。
本文以柱支撐形式建立大型復(fù)合材料固化工裝模型，在保證支撐形式滿足工裝靜力剛度的前提下，研究其在熱壓罐成型過程中熱- 結(jié)構(gòu)耦合作用下的結(jié)構(gòu)變形。 123,123

柱支撐形式固化工裝

對(duì)大型復(fù)合材料固化工裝，工裝模具的型面需要根據(jù)固化成型后的復(fù)合材料曲面進(jìn)行調(diào)整，復(fù)合材料成型的多樣性勢(shì)必增加工裝制作的經(jīng)濟(jì)成本和制作周期。針對(duì)此問題，對(duì)以柱支撐為支撐形式的工裝，支撐部分與工裝模具的接觸面積小，工裝模具型面改變后，支撐柱的生產(chǎn)加工簡(jiǎn)單易行；此外，工裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于熱空氣的流通，可以提高工裝和熱空氣之間的傳熱效率。
為方便后續(xù)研究，對(duì)柱支撐形式的工裝，以結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的平板型面工裝為例（見圖1），分析工裝在復(fù)合材料固化成型過程的變形情況。圖1中工裝的型面厚度為20mm，模型尺寸為15000mm×5000mm×1000mm，支撐柱截面設(shè)為正方形，尺寸為100mm×100mm。模具材料為殷鋼，密度ρ=7900kg/m3，彈性模量E=214GPa, 泊松比ν=0.3，線膨脹系數(shù)α=1.7×10-6/K。 copyright 123456



對(duì)工裝進(jìn)行靜力分析，可通過調(diào)節(jié)支撐柱數(shù)量來(lái)控制工裝型面變形量大小。為了比較靜力作用下的變形量和熱- 結(jié)構(gòu)耦合作用下的變形量，使用70 個(gè)支撐柱。對(duì)圖1中工裝進(jìn)行靜力分析（見圖2），工裝總變形量為0~0.00635mm，垂直型面方向變形量為0~0.00627mm ；靜力作用下，70個(gè)支撐柱的工裝結(jié)構(gòu)變形量微小，說(shuō)明以支撐柱為支撐形式的工裝完全可以滿足靜力作用下的剛度要求。



成型工裝熱- 結(jié)構(gòu)耦合分析

由經(jīng)驗(yàn)和工藝試驗(yàn)可知工裝的變形均在毫米量級(jí)，工裝的尺寸在幾米至十幾米，工裝結(jié)構(gòu)變形不會(huì)對(duì)熱壓罐內(nèi)的氣體流動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。由于流體計(jì)算對(duì)網(wǎng)格要求較高，文中使用專業(yè)流體仿真軟件FLUENT進(jìn)行工裝及熱壓罐內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分，如圖3所示。對(duì)工裝建立的有限元模型既可以適用于溫度場(chǎng)的計(jì)算，也可以用于工裝的結(jié)構(gòu)變形計(jì)算。熱壓罐工藝規(guī)范簡(jiǎn)化如圖4所示，溫度場(chǎng)計(jì)算所用相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

對(duì)復(fù)合材料固化工裝而言，工裝型面的變形將直接影響與其接觸的復(fù)合材料制件的成型質(zhì)量，垂直型面方向的翹曲變形將直接影響到大尺寸復(fù)合材料成型的曲率精度，所以型面變形場(chǎng)的表征方法應(yīng)該與型面的變形直接相關(guān)。為對(duì)成型工裝的型面變形量進(jìn)行表征，所用支撐柱如圖5所示。



圖1所示工裝中，其型面存在眾多可用于表征型面變形量的位置，為方便解釋問題，以支撐柱坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的型面位置的變形量來(lái)表征型面變形。鑒于模型所用支撐柱數(shù)量較多且考慮到模型結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選取代表性的支撐柱坐標(biāo)：U1V1、U7V1、U14V1、U1V3、U7V3、U14V3、U1V5、U7V5、U14V5、U3V1、U3V3 和U3V5，共12 個(gè)坐標(biāo)位置。對(duì)流體仿真在整個(gè)熱歷程中計(jì)算得到的工裝溫度場(chǎng)，每隔100s存儲(chǔ)一個(gè)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)文件；將包含節(jié)點(diǎn)溫度值的有限元模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，同時(shí)施加重力載荷，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下工裝的結(jié)構(gòu)變形量。 copyright 123456

計(jì)算結(jié)果分析

復(fù)合材料在熱壓罐中固化分為3個(gè)熱歷程：升溫、恒溫和降溫，此過程中工裝溫度場(chǎng)分布的不均勻性導(dǎo)致各部分熱應(yīng)力分布不均勻，工裝在熱應(yīng)力和自重載荷耦合作用下產(chǎn)生變形。熱歷程中工裝變形量最大值分布如圖6所示，從圖中可得出：
（1）整個(gè)熱歷程中，工裝總變形量最大值達(dá)4.662mm。
（2）工裝沿自身長(zhǎng)度方向變形量最大值為4.596mm，與總變形量最大值較為接近。
（3）工裝沿自身寬度方向和高度方向的變形量最大值分別為0.805mm 和0.339mm，其變形量相對(duì)于工裝長(zhǎng)度方向變形量較小。



熱應(yīng)力不均勻?qū)е碌淖冃瘟孔畲笾禐殪o力載荷導(dǎo)致工裝變形量的53~734 倍，這說(shuō)明在復(fù)合材料固化成型過程中，熱應(yīng)力載荷對(duì)工裝結(jié)構(gòu)變形起著決定性作用。
圖6反映出工裝總變形量最大值隨時(shí)間的變化，不能得出熱應(yīng)力不均勻?qū)е碌男兔媛N曲對(duì)型面的影響。對(duì)工裝型面翹曲的表征從沿工裝長(zhǎng)度方向（圖5 中U 方向）和沿工裝寬度方向（圖5 中V 方向）這兩個(gè)方面來(lái)闡述：沿工裝長(zhǎng)度方向的翹曲，采用V1 上的U1V1、U7V1、U14V1，V3上的U1V3、U7V3、U14V3 和V5上的U1V5、U7V5、U14V5 位置作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)；沿工裝寬度方向的翹曲，采用U3上的U3V1、U3V3、U3V5，U7上的U7V1、U7V3、U7V5 和U14 上的U14V1、U14V3、U14V5 位置作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由圖7得知：
（1）沿V3方向，其中間位置、迎風(fēng)端及背風(fēng)端位置由于均受到加熱而使Z向變形量在熱歷程升溫階段逐漸增大；進(jìn)入恒溫階段后，中間位置處Z向變形量基本趨于平穩(wěn)，迎風(fēng)端和背風(fēng)端由于與環(huán)境熱空氣的溫差不一致導(dǎo)致升溫幅度不同，各自的Z向變形量不同；降溫階段，其變形量趨勢(shì)基本與升溫階段相反。
（2）沿V1和V5方向，迎風(fēng)端位置Z 向變形量在熱歷程中先是低于后又高于中間位置和背風(fēng)端位置的Z向變形量。 123456
（3）迎風(fēng)端位置相對(duì)于中間位置的Z向變形量先是低于后又高于背風(fēng)端位置相對(duì)于中間位置的Z向變形量。這是因?yàn)橛L(fēng)端雖然首先與環(huán)境空氣相接處，但工裝內(nèi)部的支撐柱在空氣流經(jīng)工裝內(nèi)部時(shí)對(duì)其形成擾流作用，使工裝內(nèi)局部空氣流動(dòng)速度明顯大于工裝外部，中間位置的支撐柱與空氣換熱速率增大。
（4）V3方向，內(nèi)部支撐柱的擾流作用使背風(fēng)端位置相對(duì)于中間位置的Z向變形量先急劇增大后趨于平穩(wěn)，然后迅速下降；V1和V5方向，其處于工裝外圍與工裝外部流動(dòng)空氣直接接觸，背風(fēng)端位置相對(duì)于中間位置的Z向變形量在整個(gè)熱歷程中變化較平緩。



另外，研究表明：
（1）沿工裝寬度方向，翹曲變形基本處于對(duì)稱狀態(tài)。
（2）在U7方向上，兩端位置相對(duì)中間位置的Z向變形量在升溫階段急劇增大，在恒溫階段達(dá)到最大值并緩慢下降，進(jìn)入降溫階段后急劇減小。 123,123
（3）在U3和U14方向上，監(jiān)測(cè)位置處的Z向變形量曲線在熱歷程中基本保持一致；因?yàn)楣ぱb寬度方向尺寸相對(duì)較小，在熱歷程不同階段，空氣流態(tài)在寬度方向上對(duì)溫度場(chǎng)差值影響較小。
（4）在U3和U14方向上，兩端位置相對(duì)中間位置的Z向變形量在升溫階段急劇增大，進(jìn)入恒溫階段后迅速下降；在恒溫階段后期出現(xiàn)緩慢變化，進(jìn)入降溫階段又迅速下降。
在復(fù)合材料的熱壓罐固化過程中，對(duì)柱支撐形式的固化工裝型面，溫度不均勻性導(dǎo)致的型面翹曲變形較為復(fù)雜。在工裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部，支撐柱存在位置所對(duì)應(yīng)型面的局部變形量大于沒有支撐柱存在的位置，這是因?yàn)橹沃鶎?duì)空氣的擾流作用加快了支撐柱與周圍空氣之間的熱傳遞。圖8為3200s時(shí)工裝溫度場(chǎng)及Z向結(jié)構(gòu)變形量分布云圖。



結(jié)束語(yǔ) 123456

本文以柱支撐形式建立大型復(fù)合材料固化工裝模型，在保證工裝結(jié)構(gòu)靜力剛度的前提下，計(jì)算得到工裝在熱壓罐固化工藝過程中的溫度場(chǎng)分布，然后把重力載荷，施加到帶有溫度值的有限元模型上進(jìn)行工裝的熱- 結(jié)構(gòu)耦合分析。得到結(jié)論如下：
（1）成型工裝在熱- 結(jié)構(gòu)耦合作用下，相對(duì)于重力載荷熱應(yīng)力載荷對(duì)工裝結(jié)構(gòu)變形起決定性作用。
（2）對(duì)工裝型面在垂直型面方向的變形量，有支撐柱存在的位置大于無(wú)支撐柱存在的位置。（責(zé)編　良辰）