南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 査文陸 安魯陵 王 巖 黃曜峰

哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 李紅偉

復(fù)合材料憑借其高比強(qiáng)度、高比剛度、高比模量等一系列優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)上來(lái)，并明顯減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，大幅提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率，其用量成為航空航天結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性標(biāo)志之一[1]。復(fù)合材料構(gòu)件的成型通常要在模具中完成，模具在很大程度上影響著產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量和表面狀態(tài)，模具的尺寸、重量對(duì)模具成本以及復(fù)合材料制件總的制造成本有很大影響，這些都使得模具在復(fù)合材料產(chǎn)品制造過(guò)程中起著舉足輕重的作用。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造方法能夠顯著提高復(fù)合材料成型模具研制效率和模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短生成準(zhǔn)備周期。本文以圖1所示的框架式復(fù)合材料成型模具為例，詳細(xì)介紹如何應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

圖1 典型的框架式成型模具

框架式成型模具通常由模板和支撐結(jié)構(gòu)組成，模板制造中要求型面精度高、表面質(zhì)量好，以保證復(fù)合材料構(gòu)件成型后的外形符合設(shè)計(jì)要求；支撐結(jié)構(gòu)用來(lái)保證模具結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此要求具有足夠的剛度和強(qiáng)度；支撐結(jié)構(gòu)上通常開有散熱孔，以保證模具在熱壓罐內(nèi)的傳熱性好。

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

成型模具的數(shù)字化建模過(guò)程：根據(jù)產(chǎn)品模型提取模板上模面，經(jīng)檢測(cè)、延拓、翻邊、等距等操作生成模板；在模板的基準(zhǔn)平面上創(chuàng)建與模板下模面完全貼合型板實(shí)體，其上定義散熱孔、卡槽特征；根據(jù)型板的位置，在基準(zhǔn)平面上設(shè)計(jì)底板，最后在產(chǎn)品的重心兩側(cè)對(duì)稱地創(chuàng)建叉車槽。

上述設(shè)計(jì)方法較依賴模具設(shè)計(jì)人員所掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，不同的設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出的型板排布、框格間距、散熱孔尺寸、叉車槽等都會(huì)有所不同，且設(shè)計(jì)重復(fù)性勞動(dòng)較多，效率低下。為改善這種局面，研究人員對(duì)此進(jìn)行了研究，張虹對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件工裝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開發(fā)[2]，張富官[3]、田歡歡[4]研究了應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)開發(fā)復(fù)合材料成型模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，充分借鑒、吸收企業(yè)工裝設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工裝設(shè)計(jì)中依據(jù)的原理、方法和已有的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行梳理和分析，一方面構(gòu)建工裝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，將規(guī)則、典型結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)實(shí)例、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等納入其中，供工裝設(shè)計(jì)人員參考；另一方面，將這些經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則嵌入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)模塊中，使得所設(shè)計(jì)出的模具結(jié)構(gòu)合理，符合規(guī)范，具有較高質(zhì)量，并基于CATIA開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ呒?，?shí)現(xiàn)模具的參數(shù)化設(shè)計(jì)，從而為解決工裝設(shè)計(jì)重復(fù)性勞動(dòng)多、設(shè)計(jì)效率低的問(wèn)題提供了一條有效途徑。

應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的具體操作是，先分析模具結(jié)構(gòu)并提取模具的主要結(jié)構(gòu)尺寸，依據(jù)模型設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各部分尺寸建立參數(shù)關(guān)聯(lián)和模具結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，使其結(jié)構(gòu)能隨主要驅(qū)動(dòng)參數(shù)的改變而自動(dòng)修改。下面以模具支撐板與散熱孔為例，介紹參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用。

（1）支撐板排布的參數(shù)化。

由于復(fù)合材料構(gòu)件的多樣性，其曲面的形狀各不相同，導(dǎo)致其模具樣式也各不相同。但在模面經(jīng)過(guò)延拓、翻邊、等距等操作生成模板后，其外輪廓均可呈多邊形，然后在此多邊形的基礎(chǔ)之上構(gòu)建模具的支撐結(jié)構(gòu)。分析歸納這些多邊形的主要輪廓形狀，典型的多邊形如圖2所示。在此多邊形的輪廓之中建立支撐板排布的參數(shù)化模型，整體排布模型主要由6個(gè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)，分別是外輪廓多邊形、U向垂直方向參考線、U向間距、V向間距、內(nèi)支撐板寬度以及外支撐板寬度；并結(jié)合在內(nèi)部之間U向垂直于參考線，U、V垂直等參數(shù)約束關(guān)系，在確定好這一系列主要參數(shù)及約束后，再加上一些邏輯判斷，處理不能夠整除的多余距離處的支撐板布置等細(xì)節(jié)。支撐板排布的參數(shù)化規(guī)則和模型的建立能夠較廣泛地適用于為各種模面建立支撐板排布，圖2中典型多邊形輪廓便是依據(jù)這一參數(shù)化模型所建立的排布。

圖2 典型模具投影多邊形輪廓及支撐板排布

（2）散熱孔形狀與位置參數(shù)化。

如圖3所示，每個(gè)支撐板上都有一系列的散熱孔、卡槽，并且可能有叉車槽孔。由于每個(gè)支撐板的輪廓由模面、底板基準(zhǔn)面以及模具投影多邊形邊緣輪廓所決定，其中根據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)參數(shù)——散熱孔類型，半圓形散熱孔半徑及間距、邊距，散熱孔半徑，散熱孔分層間距等，并結(jié)合內(nèi)部特殊情況判斷是否需要預(yù)留叉車槽，是否具有隨形散熱孔，卡槽與支撐板邊緣之間距離是否足夠開設(shè)散熱孔等。綜合驅(qū)動(dòng)參數(shù)與細(xì)節(jié)判斷，可以為具有明確輪廓的支撐板創(chuàng)建上述一系列特征。由于依據(jù)同一底板基準(zhǔn)面和投影多邊形邊緣輪廓能夠同時(shí)滿足各支撐板的同一位置的散熱孔基本在同一直線上，以確保散熱效率，從而實(shí)現(xiàn)雖然支撐板形狀不一，但仍然具有相似結(jié)構(gòu)特征。

圖3 散熱孔形狀與位置

依據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，將上述典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)CAA代碼實(shí)現(xiàn)，并將其中的設(shè)計(jì)規(guī)則和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)加入其中，開發(fā)了基于CATIA的參數(shù)化設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ呒?，進(jìn)而自適應(yīng)地生成所需的模具支撐結(jié)構(gòu)模型，圖4所示為參數(shù)化設(shè)計(jì)流程。這種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）將同類型的重復(fù)性設(shè)計(jì)工作建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模式并封裝，可減少工作強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

（2）通過(guò)建立一定的規(guī)則使之具有較廣泛的適應(yīng)，能夠依據(jù)參數(shù)與規(guī)則靈活多變地快速生成相應(yīng)的模型。

（3）將設(shè)計(jì)要求與規(guī)范寫入程序，通過(guò)錯(cuò)誤提醒機(jī)制，可避免設(shè)計(jì)時(shí)易忽略的細(xì)節(jié)，減少修改和返工。

（4）參數(shù)化設(shè)計(jì)向?qū)У慕?，提供更統(tǒng)一的設(shè)計(jì)步驟，使得新加入的工裝設(shè)計(jì)人員更快地進(jìn)入設(shè)計(jì)狀態(tài)。

總之，開發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ呒軐?shí)現(xiàn)模具的快速設(shè)計(jì)。除此之外，筆者認(rèn)為支撐板排布的多樣化設(shè)計(jì)、散熱孔類型的多樣化設(shè)計(jì)以及叉車槽位置的精確確定都將進(jìn)一步提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

有限元仿真分析的應(yīng)用

數(shù)字化技術(shù)貫通飛機(jī)設(shè)計(jì)制造各個(gè)環(huán)節(jié)，打破了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造之間的“鴻溝”，應(yīng)用這種思想[5]，在模具的設(shè)計(jì)過(guò)程中將復(fù)合材料構(gòu)件的固化過(guò)程考慮進(jìn)來(lái)將進(jìn)一步提高模具設(shè)計(jì)質(zhì)量。主要表現(xiàn)在[6]：一是復(fù)合材料構(gòu)件在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，影響復(fù)合材料構(gòu)件變形的因素有很多，而究其根本原因是由于殘余應(yīng)力的存在，而殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的不均勻性導(dǎo)致的，從固化的角度考慮主要是由于模板表面的溫度不均勻?qū)е屡c構(gòu)件的傳熱不均勻；二是成型模具本身在構(gòu)件成型過(guò)程中產(chǎn)生變形，模具是與構(gòu)件一起放在真空熱壓罐中固化成型的,模具在這個(gè)過(guò)程中承受高溫?zé)彷d荷、自身重力及工裝壓力的共同作用也會(huì)產(chǎn)生變形,模具的變形對(duì)制件固化變形有一定的影響并最終影響到構(gòu)件的精度。利用有限元仿真模擬技術(shù)，可以對(duì)構(gòu)件成型過(guò)程中構(gòu)件溫度場(chǎng)、模具溫度場(chǎng)建立符合實(shí)際的可靠有限元模型，分析并預(yù)測(cè)變形，進(jìn)一步在事先設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)補(bǔ)償變形到成型模具中，從而提高最終構(gòu)件成型精度；同樣也可以通過(guò)建立有限元模型分析模具支撐結(jié)構(gòu)主要參數(shù)對(duì)模板表面溫度均勻性的影響規(guī)律，從而提出改善固化過(guò)程中模板溫度均勻性的模具設(shè)計(jì)方法。

（1）固化過(guò)程中模具變形預(yù)測(cè)與補(bǔ)償。

模具變形最重要的是模面的變形，其變形將直接影響與其接觸的復(fù)合材料構(gòu)件的成型質(zhì)量，而模面在工藝過(guò)程中的變形主要是沿支撐方向的變形，因此用型面上各點(diǎn)沿高度方向的最大位移差作為模具變形的表征參數(shù)。由于復(fù)合材構(gòu)件固化變形主要發(fā)生在降溫階段，成型模具變形對(duì)復(fù)合材料制件固化變形的影響也主要發(fā)生在降溫階段,因此以降溫階段模具變形作為研究對(duì)象。

文獻(xiàn)[7]中，陳曉靜首先建立模具溫度計(jì)算網(wǎng)格模型，并根據(jù)工藝方案計(jì)算出溫度載荷，然后建立模具結(jié)構(gòu)變形網(wǎng)格模型。固化過(guò)程中，模具放在水平的架子上自由支撐,在模擬計(jì)算時(shí)可以看作模具底面4個(gè)底角中的1個(gè)固定,其他3個(gè)底角只限制沿高度方向的變形為零；所需施加的載荷包括模具溫度載荷、模具自身重力載荷及制件和工裝的壓力載荷,這些是復(fù)合材料制件成型過(guò)程中必要的力載荷。建立模型后，運(yùn)用試驗(yàn)監(jiān)測(cè)典型位置點(diǎn)處的支撐方向的變形，從而來(lái)驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性。在模具設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型分析復(fù)合材料構(gòu)件在成型過(guò)程中模具可能產(chǎn)生的變形，并將變形量補(bǔ)償添加到模面的設(shè)計(jì)計(jì)算中來(lái)，這將提高實(shí)際制件的精度。

（2）模具支撐結(jié)構(gòu)對(duì)模板表面溫度均勻性的影響。

模具支撐結(jié)構(gòu)的阻擋會(huì)對(duì)罐內(nèi)空氣流動(dòng)造成影響。模具結(jié)構(gòu)影響風(fēng)的流動(dòng)，空氣速度的影響會(huì)造成零件成形時(shí)熱量隨著風(fēng)速流動(dòng)。模具結(jié)構(gòu)對(duì)空氣速度的影響造成模板溫度的高低不同，導(dǎo)致成形過(guò)程中零件的溫度不均。根據(jù)CFD理論，采用分析軟件對(duì)復(fù)合材料成型模具在熱壓罐中成型的溫度分布進(jìn)行模擬，分析成型模具支撐結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)均勻性的影響，從而改進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖4 成型模具參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圖

文獻(xiàn)[8]中，李德尚首先根據(jù)固化過(guò)程中的實(shí)際情況，建立固化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，研究復(fù)合材料成型模具的溫度場(chǎng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)及溫度場(chǎng)分析結(jié)果可知，模板表面溫度往往不均，對(duì)復(fù)材模具支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的修改之后再次進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。通過(guò)對(duì)比多次修改后的結(jié)果可以了解到，一定的修改方式后的模具通過(guò)改變風(fēng)的流向能夠提高模板表面溫度均勻性。

因此，筆者認(rèn)為通過(guò)建立可靠的模型后，逐項(xiàng)更改某一關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，然后結(jié)合統(tǒng)計(jì)相關(guān)知識(shí)可發(fā)現(xiàn)這一參數(shù)對(duì)模具溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，從而提出提高模具溫度場(chǎng)均勻性的改善方案，以提高復(fù)合材料構(gòu)件成型過(guò)程中的溫度均勻性，達(dá)到提高構(gòu)件成型精度的目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料成型模具一般是通過(guò)保守估計(jì)的方法設(shè)計(jì)，并沒有通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的模具，特別是大型制件模具，通常都非常笨重，不僅耗費(fèi)大量材料，因熱容量升高也可能影響到固化反應(yīng)，同時(shí)對(duì)運(yùn)輸、使用過(guò)程的相關(guān)設(shè)備噸位要求很高，大大增加了成本，甚至影響了制造能力。因此，減重是模具設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要方面。減重的方法必須要通過(guò)合理計(jì)算，否則會(huì)直接影響到模具的強(qiáng)度和剛度，導(dǎo)致使用過(guò)程中變形而影響制件質(zhì)量[9]。

成型模具的支撐結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀，且每個(gè)支撐板上有諸多散熱孔，其大小和形狀對(duì)模具的散熱和剛度均有影響，太大則影響剛度，太小則影響散熱和重量；此外，散熱孔的形狀也會(huì)影響剛度、重量和散熱，如何使設(shè)計(jì)取值保持在一個(gè)合理范圍需要一個(gè)優(yōu)化過(guò)程。文獻(xiàn)[10]中，張鋮通過(guò)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)建立拓?fù)鋬?yōu)化模型，獲得模具模型非拓?fù)鋮^(qū)的材料分布情況，可為散熱孔形狀的選取提供一定指導(dǎo)意義。分析得知，在邊界條件相同和質(zhì)量近似的情況下，桁架式開口模型的變形量約為方形開口模型變形量的48%。因此，框架式模具底部支撐結(jié)構(gòu)采用桁架式開口形式要優(yōu)于方形開口形式，其結(jié)構(gòu)效率優(yōu)勢(shì)明顯。

減重優(yōu)化可通過(guò)有限元分析模具在不同工況下的應(yīng)變、應(yīng)力情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，最終使最嚴(yán)重工況下的應(yīng)力、應(yīng)變值小于材料許用值乘以安全系數(shù)。以下提出一種結(jié)合應(yīng)力分析與參數(shù)化建模，并進(jìn)行反復(fù)判斷的方法，達(dá)到既滿足不同工況下的應(yīng)變、應(yīng)力情況，同時(shí)也在很大程度上簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。首先創(chuàng)建只含外支撐板的模具，再往里面添加最簡(jiǎn)單的一根或垂直的兩個(gè)支撐板，并完成散熱孔叉車槽的創(chuàng)建，再進(jìn)行剛度校核，若滿足則符合要求，若不滿足則在之前添加過(guò)支撐板的基礎(chǔ)上重新添加或修改支撐板，然后再進(jìn)行校核，直到滿足要求則完成模具的設(shè)計(jì)，其流程如圖5所示，此法能夠在在保證剛度的情況下盡可能地減化支撐結(jié)構(gòu)。

圖5 一種應(yīng)力分析方法的模具設(shè)計(jì)流程圖

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)復(fù)合材料成型模具數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了綜述和分析，從幾何角度考慮，基于模塊化、參數(shù)化、快速設(shè)計(jì)方法，將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到復(fù)合材料成型模具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，提高設(shè)計(jì)效率；從熱力學(xué)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等角度考慮，基于有限元模擬仿真方法、剛度校核，將復(fù)合材料成型模具的設(shè)計(jì)過(guò)程與復(fù)合材料構(gòu)件的制造過(guò)程相結(jié)合，可以減少修改與返工，提高模具結(jié)構(gòu)效率，進(jìn)一步提高復(fù)合材料構(gòu)件的成型精度。

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