唐興齡,宿 昊,司朝潤
(1.中國核電工程有限公司,北京 100840;2.北京理工大學 機電學院,北京 100081)
復合材料熱壓罐成形模具型面補償設計方法研究
唐興齡1,宿 昊1,司朝潤2
(1.中國核電工程有限公司,北京 100840;2.北京理工大學 機電學院,北京 100081)
針對復合材料固化成形過程中的變形問題,本文提出一種通過對模具型面的溫度補償來達到對材料變形量補償?shù)姆椒?。該方法的設計思想是構件要在成形后滿足設計形狀,首先其在高溫狀態(tài)下的理想形狀就應該是構件從低溫升至玻璃態(tài)溫度膨脹后的形狀;其次模具在固化周期內的熱變形為彈性變形,即材料固化脫模后的模具型面恢復至原來形狀。模具型面的設計基礎是準確預測模具型面在固化點溫度時的幾何形狀。補償后的數(shù)值模擬結果表明,采用熱補償?shù)哪>咝兔嬖O計方法設計的模具型面能夠有效補償復合材料制件成形過程中由于模具與復合材料之間熱、力學性能不一致以及固化過程中材料自身熱、力學性能變化而導致的制件固化變形問題。
復合材料;熱固性樹脂基;固化成形;模具型面補償
復合材料熱壓罐成形工藝能實現(xiàn)溫度、壓力和真空度等工藝參數(shù)時序化和實時在線控制,因此被廣泛應用于航空航天、電子、兵器、交通和新能源等高技術復材結構件成形領域[1,2]。然而熱壓罐成形工藝也存在一定的問題。在成形過程中成形模具是在較高溫度和較高壓力下與復合材料構件一起放在真空熱壓罐中固化成形的。一般情況下,金屬模具的線膨脹系數(shù)大于復合材料構件,并且在樹脂基體固化之前的工藝過程中,由于受熱壓罐內壓力作用構件緊貼模具,離模具最近的纖維承受拉應力,然而由于復合材料構件此時的剪切模量很低,在厚度方向構件的應力傳遞能力很差,因此在厚度方向會產(chǎn)生應力梯度[3]。隨著固化工藝進程的推進,樹脂完全固化,沿厚度方向分布不均勻的應力殘留在構件內,而固化結束后殘余應力得到釋放導致構件產(chǎn)生變形。同時模具的導熱性能及其結構形式還會影響與其直接接觸的復合材料構件固化溫度場的分布,而固化溫度場的分布情況又會進一步影響到最終構件內殘余應力的大小及分布。
針對復合材料熱壓罐成形工藝中制件在成形過程中的變形問題,目前比較通用的解決方法是針對構件的變形量對成形用模具型面進行位移補償性修正。位移補償性修正方法一般是根據(jù)經(jīng)驗和在實驗的基礎上采用累試的方法對模具型面進行反復的調整和補償性修正加工來抵消模具的變形。但這種方法費時費料,增加了復合材料構件的成本。本文提出對模具型面進行補償性設計。利用有限元理論和計算機數(shù)值模擬的方法,分離構件自身的熱變形和由模具因素導致的變形,并將這兩部分變形量通過模具型面的修正進行補償,補充固化工藝和模具結構優(yōu)化技術的不足。最終得到滿足要求的構件外形尺寸和精度。
在樹脂基復合材料的固化過程中,當材料固化至玻璃態(tài)溫度時其物理和力學性能幾乎趨于穩(wěn)定,可以認為材料在固化降溫階段的變形主要是由材料自身的熱變形以及材料與成形模具的熱物理性能不一致而導致的線彈性變形。此外由于在熱壓罐成形工藝中,熱壓罐內的溫度梯度較小,溫度場分布比較均勻,且一般復合材料制件的成形溫度都在200℃以下,可以認為模具和在固化降溫階段的熱收縮量是溫度的線性函數(shù),主要與材料的熱物理性能相關。因此,構件要在成形后滿足設計形狀要求,其在玻璃態(tài)轉化溫度下的理想形狀就應該是構件從低溫升至玻璃化溫度點熱膨脹后的形狀。
此外在復合材料的固化初期,復合材料鋪層處于黏流性狀態(tài)緊貼于模具表面,其型面形狀與模具型面相同,當達到固化點時,材料處于高度的粘彈性,此時由于材料的應力松弛效應和罐內壓力作用,材料的型面形狀仍然與模具型面相同。設材料的初始型面形狀為P,模具設計型面為D;達到固化點溫度時材料的型面形狀為Ps,模具型面為Ds,則有 P=D;Ps=Ds。材料達到固化點后由于應力松弛、收縮等原因在向玻璃態(tài)轉化的過程中會發(fā)生變形。假設固化過程中材料的固化點溫度與玻璃態(tài)轉化溫度相等,則理論上模具型面在玻璃態(tài)時形狀Dg和固化點時的形狀Ds相等。即固化降溫前有如圖1所示的模具型面形狀與材料形狀的關系。
圖1 固化降溫前模具型面與材料的形狀關系
由以上分析可以得出,復合材料制件在固化過程中制件與模具的幾何型面在固化點和玻璃態(tài)轉化點建立起了緊密的聯(lián)系。如果能知道材料的設計型面在固化點時的理想形狀就間接地知道了模具型面在玻璃態(tài)轉化點的形狀,再將模具從玻璃態(tài)降至室溫就可以得到模具在室溫下的形狀。
本文模具型面補償設計的思路是假設材料的固化點溫度和玻璃態(tài)轉換溫度相同,則在理論上模具型面在固化點和玻璃態(tài)溫度轉換點的幾何形狀就應相同。模具型面設計過程是以制件的設計模型固化升溫至固化點后的理想形狀作為模具型面在高溫下的初始形狀設計模具高溫型面,在熱壓罐固化降溫環(huán)境中將模具初始高溫模型降溫至室溫得到模具在常溫下的初始型面模型,再以此時的模具型面為復合材料構件和模具固化初始時的型面形狀,分析構件的固化升溫過程。將構件在固化點時的幾何形狀與構件的高溫理想形狀比較,最終確定模具型面的理想高溫形狀。該原理過程如圖2所示。
圖2 模具型面設計原理圖
采用復合材料構件在高溫狀態(tài)下的理想型面作為模具型面設計的依據(jù)是為了補償構件在固化降溫過程中的熱彈性變形和固化過程中因模具熱膨脹變形導致的構件變形。同時這種設計方法還可以保證模具型面和制件型面在高溫狀態(tài)下保持一致,即材料在固化點溫度時滿足式(1)。其中Ps、Ds分別為制件和模具高溫固化點狀態(tài)下的幾何型面,ξ為設計允許的最大誤差。
由模具設計過程的原理圖可知,經(jīng)過迭代后材料的固化點形狀Ps和玻璃態(tài)轉化溫度形狀Pg滿足 |Pg-Ps|≤|ξ|,也即是材料與模具在高溫狀態(tài)下滿足式(1)。
2.1 模具型面補償設計過程
本文熱壓罐成形模具型面補償設計的具體操作過程是:①采用有限元分析軟件ABAQUS將設計的復合材料構件從室溫沿固化降溫的逆方向加載至玻璃態(tài)轉化溫度,得到構件型面在玻璃態(tài)下的理想幾何信息Pg;②以得到的構件高溫理想型面為基準,建立模具型面在高溫下的模型Dg;再將模具型面模型Dg沿固化降溫方向降至室溫,得到常溫下的模具型面模型D(0);③分析材料在固化周期中的溫度場、固化度等變化和材料的熱、力學性能變化;④利用有限元分析軟件ABAQUS對材料固化升溫過程進行有限元數(shù)值模擬,得到材料在固化點時的幾何形狀Ps。固化模擬過程中模具的初始型面就是步驟②中的D(0);材料在固化初期緊貼模具,因此材料的形狀與模具型面幾何形狀相同;⑤比較步驟①、④中分別得到的材料玻璃態(tài)理想幾何形狀和材料固化點溫度時的幾何形狀,當滿足式(2)時,步驟④中材料或模具的初始幾何型面就是需要設計的模具型面在升溫后的狀態(tài)。具體操作流程見圖3,式中i表示固化升溫階段的迭代次數(shù)。
圖3 模具型面熱補償設計流程
2.2 高溫狀態(tài)時模具型面形狀的確定
本文采用有限元分析軟件ABAQUS對設計的碳纖維環(huán)氧樹脂基復合材料AS4/3501-6單曲面層合板構件進行與固化降溫階段相反的加載,得到層合板在玻璃態(tài)下的型面理想幾何模型。再對該構件在固化升溫階段的溫度場、固化度變化以及應力、應變進行分析,得到層合板在固化點的幾何模型。按照圖3所示的補償設計流程設計模具型面。模擬過程中熱壓罐內溫度加載的過程如圖4所示。
圖4 材料固化溫度周期
有限元分析中鋼模具的熱、力學性能參數(shù)為:密度ρ=7800kg/m3,彈性模量E=210GPa,泊松比υ=0.3,比熱C=434J/(kg·℃),導熱率k=60.5W/(m·℃),熱膨脹系數(shù)CTE=1.2×10-5。成形構件結構為單曲面層合板,其固化后的熱、力學性能參數(shù)采用文獻[6]中的參數(shù)值。采用有限元分析方法,將復合材料層合板的設計模型沿圖4材料固化溫度周期曲線的c-d方向升溫至玻璃態(tài)轉化溫度,得到層合板在玻璃態(tài)轉化溫度時的離散幾何模型。
2.3 模具型面補償設計
將復合材料層合板逆向升溫后得到的離散的幾何模型提取出來,利用逆向工程軟件geomagic和CAD軟件UG構造高溫時的模具型面Dg和對應的等效模具模型。在有限元分析軟件ABAQUS中將模具的高溫等效模型沿固化降溫方向降至室溫,得到室溫下模具的離散等效模型D0。再次采用逆向工程技術和CAD軟件利用模具離散幾何信息構建模具初始型面設計模型D(0)和等效的模具模型(圖5)以及材料在固化前的初始模型P(0)。為了分別補償材料和模具在固化降溫階段的熱收縮變形,材料在逆向升溫過程中沒有考慮模具的影響;同時模具等效模型的降溫過程也僅是模具自身的熱收縮,沒有考慮材料的影響。
圖5 模具初始設計模型
復合材料固化過程中的化學收縮應變是由材料在狀態(tài)轉變過程中的物理性能所決定的,不能通過模具型面進行補償。因此,本文固化升溫階段的數(shù)值模擬過程沒有考慮由于化學收縮引起的應力、應變,僅考慮了固化過程中材料的熱膨脹系數(shù)、模量和固化反應放熱等變化對變形和應力的影響。固化升溫過程中罐內環(huán)境溫度采用文獻 [7]推薦的加載周期(圖4),兩個升溫階段的加載速率都是5℃/min,固化點溫度為177℃;降溫過程以-5℃/min的速率從177℃降溫至25℃,整個固化周期中熱壓罐內的溫度和壓力分布均勻。
2.4 模擬結果分析
圖6是復合材料層合板逆向升溫至玻璃態(tài)下的應力分布。復合材料在固化過程中的約束主要是模具對它的支撐約束和熱壓罐內施加于材料表面的氣壓約束。復合材料的固化過程是由粘流態(tài)經(jīng)橡膠態(tài)向玻璃態(tài)轉化的,在這個過程中材料由于應力松弛的作用,其在固化升溫階段的應力會迅速釋放。為了消除固化模擬過程中模具對材料沿徑向方向的約束所造成的材料應力不能釋放從而進一步造成材料中間部分的隆起變形,本文模擬過程中在材料和模具的邊緣部分引入一層橡膠層來平衡模具對材料徑向方向的約束,材料和模具的其余部分設定為接觸約束,使得模擬過程更接近實際情況。
圖7是復合材料層合板在固化點時的位移分布。對比復合材料層合板固化升溫后的變形位移和其設計型面理想高溫形狀(圖8、圖9),經(jīng)過模具型面的溫度補償后,復合材料層合板的位移變形量很小。模具型面溫度補償后的結果表明,通過模具型面的溫度補償能夠有效補償材料固化周期過程中的熱彈性變形量。
圖6 材料沿路徑c-d方向升溫至玻璃態(tài)后的應力分布
圖7 材料固化至固化點時位移分量U2的分布
本文針對復合材料熱壓罐成形工藝過程中的熱彈性變形問題,采用對模具設計型面進行溫度補償?shù)霓k法來補償材料的熱變形。本文模具型面的補償法是建立在引起構件彈性變形機理的基礎上。補償過程中綜合考慮了構件固化降溫階段中的熱彈性變形和模具在固化升溫階段引起的熱變形,是一種物理的補償方法。模具型面設計后的數(shù)值模擬結果表明,采用熱補償?shù)哪>咝兔嬖O計方法設計的模具型面能夠有效補償復合材料制件成形過程中由于模具與復合材料之間熱、力學性能不一致以及固化過程中材料自身熱、力學性能變化而導致的制件固化變形問題。
圖8 材料固化升溫后和逆向升溫后位移U2沿節(jié)點路徑1-1的分布
圖9 材料固化升溫后和逆向升溫后位移U2沿節(jié)點路徑1-2的分布
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Study on compensation method of die surface for composite autoclave forming process
TANG Xingling1,SU Hao2,SI Chaorun2
(1.China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd,Beijing 100840,China; 2.School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)
Aiming at the deformation issues of the composite during curing process,a kind of die surface temperature compensation method has been proposed in the text in order to compensate the deformation value of the composite.The idea is that the member satisfies design profile after being formed.Firstly,the ideal profile in high temperature is the expansion of the member from low temperature to the glass state temperature.Then,the hot deformation of die in the curing cycle is elastic,that is,the die surface would recover to the original profile after the composite is being cured and die releases.The die surface has been designed on the basis of accurate prediction of die surface geometry profile at curing point temperature.The compensated numerical simulation results show that die surface by hot compensation design method can effectively compensate the member curing deformation issues during composite member forming process caused by thermal and mechanical properties unconformity between die and composite,and changes of composite thermal and mechanical properties during curing process.
Thermosetting resin matrix composite;Curing;Die surface compensation
TH061
A
10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.022
1672-0121(2017)01-0088-04
2016-10-20;
2016-12-01
唐興齡(1986-),女,工程師,從事復合材料成形工藝、結構可靠性優(yōu)化設計等研究。E-mail:tangxl5143@163.com;
司朝潤(1985-),男,博士后,從事機械設計、材料成形等研究。E-mail:scr527@163.com