萬建平 朱春生 馬軍 李燕銀

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料 鋪絲成型 FEM

1 引言

復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)（Automated Fiber Placement）綜合了自動(dòng)鋪帶（ALT）和纖維纏繞（FW）的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了復(fù)雜曲面多變的要求，為復(fù)雜曲面成型制造提供了一種極佳的方法，屬于國(guó)際前沿技術(shù)，在航空、航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。美國(guó)全球鷹無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩（圖1（a）所示）與X-47B艦載無人機(jī)的蛇形進(jìn)氣道（圖1（c）所示）都采用了AFP成型技術(shù)。

下面將剖析環(huán)形復(fù)雜曲面鋪絲時(shí)的模具形變機(jī)理，并通過有限元法加以分析。

2 AFP成型時(shí)環(huán)形曲面模具形變的來源及其影響

2.1 AFP成型時(shí)環(huán)形曲面模具形變的來源

（a）所示的是S形進(jìn)氣道成型模具，（b）所示的是蛇形進(jìn)氣成型模具。那么對(duì)它們進(jìn)行AFP成型時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸放置在AFP系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)支架上，由AFP伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并進(jìn)行AFP成型操作。根據(jù)AFP成型時(shí)的形變來源不同，模具形變分為三類；靜態(tài)形變、動(dòng)態(tài)形變和載荷形變。

AFP成型時(shí)大多使用鋼模，即使采用空心結(jié)構(gòu)，重量仍然較大。模具在自身重力作用下的形變，稱為靜態(tài)形變；環(huán)形類曲面進(jìn)行回轉(zhuǎn)鋪絲成型時(shí)，模具在離心力的作用下發(fā)生的形變，稱為動(dòng)態(tài)形變，例如，由于嚴(yán)重的不對(duì)稱性，同樣鋪放參數(shù)條件下，圖2所示的蛇形進(jìn)氣道模具動(dòng)態(tài)形變將會(huì)比S形進(jìn)氣道模具大很多；由于AFP成型不可避免需要鋪絲頭的滾壓作用，滾壓力帶來的模具變形，稱為載荷形變。

2.2 三種形變的影響

AFP成型的產(chǎn)品形變由成型和固化兩個(gè)階段決定，控制成型時(shí)的形變是基礎(chǔ)，是本研究的重點(diǎn)，在此需要分析其對(duì)最終產(chǎn)品形變的影響。固化產(chǎn)生的形變則與鋪絲的路徑有關(guān)，屬于另外一種形變類型，在此不做分析。

（1）靜態(tài)形變的影響。由于AFP成型之后，復(fù)合材料要與模具一起放置在熱壓罐成型。因此，模具靜態(tài)形變的影響一直會(huì)伴隨著產(chǎn)品的整個(gè)成型、固化過程，不會(huì)解除。為了控制產(chǎn)品制造的誤差，模具制造和模具靜態(tài)形變都需要分取公差的一部分。

（2）動(dòng)態(tài)形變的影響。由于動(dòng)態(tài)形變是在模具回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的，當(dāng)AFP成型完成之后，理論上可以消失。但實(shí)際上，如果動(dòng)態(tài)形變太大時(shí)，則可能破壞原有的連接狀態(tài)，仍需要加以控制。

（3）載荷形變的影響。盡管載荷形變影響有限，但由于它會(huì)影響到材料的均勻性，也需要加以控制。

總之，上述三種形變都需要加以控制。為了提前知道理想條件下控制的效果，采用ANSYS對(duì)控制效果進(jìn)行FEM分析，很有必要。

3 蛇形管道形變仿真分析

為了更好地控制AFP成型形變，需要通過仿真來預(yù)測(cè)，以便采取反制措施。

3.1 靜態(tài)形變與載荷形變的仿真

將圖2（b）所示的蛇形進(jìn)氣的成型模具輸入ANSYS Workbench系統(tǒng)。選擇合理的單元?jiǎng)澐志龋?.5mm），采用的單元類型為Solid 186，對(duì)其進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。再選擇在ANSYS Workbench的simulation模塊中，打開相關(guān)的對(duì)話框，按表1填入屬性值。在模具兩端加以支撐約束，整個(gè)模具受到體分布的重力作用。在上述條件下對(duì)蛇形進(jìn)氣的成型模具進(jìn)行FEM分析，得出靜態(tài)的豎向形變?cè)茍D如圖3（a）所示。

3.2 動(dòng)態(tài)形變的仿真

在靜態(tài)分析之后，將模型的密度改為0值，其余不變。設(shè)定其旋轉(zhuǎn)角速度為15r/min。選擇旋轉(zhuǎn)中心，對(duì)該模具的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)形變進(jìn)行有限元分析，得到動(dòng)態(tài)豎向形變?cè)茍D如圖3（b）所示。

3.3 載荷形變的仿真

載荷形變分析，材料密度設(shè)為0值，加載大小為25公斤，加載范圍約為50mm×120mm范圍（中部、均布）。得出相應(yīng)的豎向形變?cè)茍D如圖3（c）所示。

4 仿真結(jié)果總結(jié)及形變控制策略

通過上面的有限元分析，總結(jié)如下：

（1）靜態(tài)形變最大，為主要形變來源，需要加以嚴(yán)格控制；

（2）動(dòng)態(tài)形變?cè)谳^低轉(zhuǎn)速時(shí)，可控制在理想范圍內(nèi)；

（3）正常的滾壓力帶來的載荷形變非常有限，可以忽略。

根據(jù)上面總結(jié)，相應(yīng)的控制策略為：

（1）在模具設(shè)計(jì)、制造和安裝時(shí)，盡可能考慮模具的靜態(tài)剛度；

（2）對(duì)于轉(zhuǎn)軸非對(duì)稱性較大的環(huán)形曲面，AFP成型時(shí)的轉(zhuǎn)速，應(yīng)適度加以控制。

5 結(jié)論

通過FEM分析，環(huán)形復(fù)雜曲面自動(dòng)鋪絲成型時(shí)的形變，有三種來源。本研究通過FEM確定了它們的大小順序，分清它們主次關(guān)系，并提出了相應(yīng)的控制策略。

參考文獻(xiàn)

[1]盧敏.圓筒件的鋪絲路徑生成算法[J].航空學(xué)報(bào)，2011，32（1）：181-186.

[2]周燚，安魯陵，周來水.復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲路徑生成技術(shù)研究[J].航空精密制造技術(shù)，2006，42（2）：39-41.

[3]朱寶鎏.高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)氣動(dòng)力特點(diǎn)分析[J].國(guó)際航空，2006（6）：74-77.

[4]徐德康.X-47B生產(chǎn)型亮相[J].國(guó)際航空，2009（2）：33-36.