熱壓罐工藝仿真技術(shù)

熱壓罐工藝仿真技術(shù)

隨著FEM和CFD仿真手段的發(fā)展，利用仿真手段替代部分試模，預(yù)報(bào)試模的結(jié)果已成為可能。通過(guò)仿真手段可以模擬熱壓罐工藝過(guò)程中罐內(nèi)的流場(chǎng)情況、溫度場(chǎng)分布、預(yù)浸料的固化過(guò)程，以及最終工件的變形和殘余應(yīng)力等。而在進(jìn)行了大量的虛擬仿真試驗(yàn)之后，則可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立熱壓罐工藝的知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)，從而指導(dǎo)工裝工件擺放、工裝設(shè)計(jì)以及諸多工藝參數(shù)的優(yōu)化，從根本上改變熱壓罐工藝方案的設(shè)計(jì)方式。 內(nèi)容來(lái)自123456

    熱壓罐工藝開(kāi)始于20世紀(jì)40年代，在60年代開(kāi)始廣泛使用，是針對(duì)第二代復(fù)合材料的生產(chǎn)而研制開(kāi)發(fā)的工藝，尤其在生產(chǎn)蒙皮類零件的時(shí)候發(fā)揮了巨大的作用，現(xiàn)已作為一種成熟的工藝被廣泛使用。由熱壓罐工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料占整個(gè)復(fù)合材料產(chǎn)量的50%以上，在航空航天領(lǐng)域比重高達(dá)80%以上。熱壓罐工藝已經(jīng)在各個(gè)復(fù)合材料零部件生產(chǎn)廠被大量使用。隨著國(guó)防技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的發(fā)展提出了更大、更厚、更復(fù)雜的要求，這使新產(chǎn)品的翹曲變形、殘余應(yīng)力水平以及分層開(kāi)裂等問(wèn)題浮出水面。目前解決熱壓罐工藝諸多問(wèn)題的方法還是采用試模的方式。由于復(fù)合材料本身高昂的價(jià)格、較長(zhǎng)的工藝時(shí)間以及熱壓罐工藝本身的復(fù)雜性，試模方法注定要耗費(fèi)大量時(shí)間和成本，且難以歸納經(jīng)驗(yàn)。 123456

    隨著FEM和CFD仿真手段的發(fā)展，利用仿真手段替代部分試模，預(yù)報(bào)試模的結(jié)果已成為可能。通過(guò)仿真手段可以模擬熱壓罐工藝過(guò)程中罐內(nèi)的流場(chǎng)情況、溫度場(chǎng)分布、預(yù)浸料的固化過(guò)程，以及最終工件的變形和殘余應(yīng)力等。而在進(jìn)行了大量的虛擬仿真試驗(yàn)之后，則可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立熱壓罐工藝的知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)，從而指導(dǎo)工裝工件擺放、工裝設(shè)計(jì)以及諸多工藝參數(shù)的優(yōu)化，從根本上改變熱壓罐工藝方案的設(shè)計(jì)方式。 copyright 123456

    熱壓罐工藝仿真方案

    復(fù)合材料的熱壓罐成型工藝過(guò)程是一個(gè)涉及對(duì)流換熱、結(jié)構(gòu)熱變形和固化相變反應(yīng)的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程。完整的熱壓罐工藝分析方案應(yīng)考慮的因素應(yīng)包括：

    · 罐內(nèi)的流場(chǎng)與流固間對(duì)流換熱；
    · 預(yù)浸料鋪覆過(guò)程中的纖維剪切作用；
    · 真空袋、吸膠紙等對(duì)傳熱過(guò)程的影響； 123456
    · 預(yù)浸料的固化反應(yīng)與放熱；
    · 壓實(shí)過(guò)程中樹(shù)脂在纖維床中的流動(dòng)；
    · 模具的傳熱與熱變形；
    · 預(yù)浸料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變前后材料性能變化；
    · 模具與預(yù)浸料的相互作用與脫開(kāi)過(guò)程。
    結(jié)合仿真技術(shù)，完整的熱壓罐工藝仿真方案的仿真流程（圖1）應(yīng)包括：
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（1）罐內(nèi)流體傳熱分析非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的快速劃分，包括工裝位置的快速修改；
    （2）罐內(nèi)流場(chǎng)的CFD分析，計(jì)算流固間對(duì)流換熱的溫度場(chǎng)分布；
    （3）固化方程求解模塊，支持與罐內(nèi)對(duì)流換熱分析的雙向耦合；
    （4）壓實(shí)過(guò)程中的樹(shù)脂滲透分析，得到壓實(shí)后纖維體積含量的變化情況；
    （5）預(yù)浸料鋪覆分析模塊，修正纖維鋪設(shè)方向；
    （6）復(fù)合材料翹曲變形分析和殘余應(yīng)力預(yù)報(bào)。

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    可見(jiàn)，對(duì)于熱壓罐工 藝的仿真研究可以分為罐內(nèi)對(duì)流換熱研究和工件翹曲變形分析兩部分。前者的研究重點(diǎn)為工件擺放方法的預(yù)報(bào)、模具表面的溫度分布預(yù)測(cè)、風(fēng)扇功率、加熱曲線等工 藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響等；后者主要研究工裝工件之間的相互作用、工件的固化度分布并最終預(yù)報(bào)工件的翹曲變形和殘余應(yīng)力水平。對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的預(yù)報(bào)是熱壓罐工藝仿真的最終目的。

    罐內(nèi)的對(duì)流換熱分析是固化變形分析的前提。工件的固化變形受到內(nèi)部溫度分布、自身固化度以及模具熱變形3個(gè)主要因素影響，而這3個(gè)影響因素都與工件周?chē)?溫度分布和溫度變化歷程有關(guān)。樹(shù)脂在固化過(guò)程中會(huì)因高分子的膠聯(lián)反應(yīng)而釋放大量的熱量，通常1kJ樹(shù)脂完全固化的放熱量在幾百kj的量級(jí)，而樹(shù)脂的熱容在 1500J/（Kg·℃）左右，因而，在絕熱環(huán)境下，如果固化反應(yīng)放出的熱量全部用于樹(shù)脂升溫，樹(shù)脂因固化發(fā)熱使自身溫度的提高可能達(dá)到上百度。在RTM 工藝的實(shí)際操作中，也確實(shí)存在因固化反應(yīng)過(guò)于劇烈，散熱不及時(shí)而導(dǎo)致的復(fù)合材料燒芯情況。 copyright 123456

    對(duì)于熱壓罐工 藝，由于模具的熱傳導(dǎo)和空氣流動(dòng)引起的對(duì)流換熱，這些反應(yīng)放熱會(huì)不同程度地被散失掉，散失程度受模具材料、真空袋/吸膠紙等工裝材料的熱導(dǎo)率、罐內(nèi)流場(chǎng)情 況等顯著影響。因而在研究罐內(nèi)流場(chǎng)時(shí)必須將流場(chǎng)計(jì)算、對(duì)流傳熱求解與固化反應(yīng)放熱雙向耦合起來(lái)，才有可能準(zhǔn)確地獲得工裝工件表面的溫度分布情況。

    導(dǎo)致復(fù)合材料固化變形的直接原因是結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)處應(yīng)變?cè)跁r(shí)間歷程上的積累。應(yīng)變由外應(yīng)變和內(nèi)應(yīng)變兩部分構(gòu)成，外應(yīng)變主要指由于結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)和外力載荷引起的應(yīng)變；內(nèi)應(yīng)變又包括熱膨脹應(yīng)變和固化收縮應(yīng)變兩部分，指由溫度載荷和固化反應(yīng)導(dǎo)致的樹(shù)脂固化收縮導(dǎo)致的應(yīng)變。 123456

 εEij=εTij+εCij，（1）其中，熱膨脹應(yīng)變可描述為：εTij=∫αij（T,X）. eT/ et.dt，（2）固化收縮應(yīng)變可表述為：εCij=∫βij(T,X) eX/et.dt，（3）式中，εEij為內(nèi)應(yīng)變，εTij為熱膨脹應(yīng)變，εCij為化學(xué)收縮應(yīng)變，αij（T,X）為熱膨脹系數(shù)，βij(T,X)為固 化收縮率，T為溫度，t為時(shí)間。

    目前，比較常見(jiàn)的分析翹曲變形的方法只能考慮層合板的熱變形，研究對(duì)象也往往針對(duì)非對(duì)稱鋪層的層合板結(jié)構(gòu)，而對(duì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的層合板固化變形研究較少。ESI集團(tuán)的復(fù)合材料熱力耦合分析軟件SYSPLY采用SWEREA SICOMP模型[1-6]，能夠考慮復(fù)合材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變前后的熱膨脹系數(shù)差別和固化收縮特性，通過(guò)建立三維層合板模型，分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的固化變形（圖2）。 123,123

SICOMP模型可描述為： 

    σij=Crijkl(εkl-εEkl)(T≧Tg(X)),Cgijkl(εkl-εEkl)-(Cgijkl-Crijkl),(εkl- εEkl)/t=tvit(T樹(shù)脂的固化度可用Kamal-Sourour公式描述：dα/dt=(K1exp(-E1/RT)+K2exp(-E2 /RT) αm)(1-α)n.（5）而玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度可由DiBenedetto方程描述：Tg-Tgo/Tg∞-Tgo=λχ/1-(1-λ) χ，（6）式中，Crijkl為橡膠態(tài)剛度，Cgijkl為玻璃態(tài)剛度，εkl為外應(yīng)變，εEkl為內(nèi)應(yīng)變，tvit為發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)刻，K1、K 2、E 1、E 2、R為Kamal-Sourour的待定系數(shù)，Tg為玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度、Tg0為固化度為0時(shí)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，Tg∞為固化度為1時(shí)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫 度，χ為固化度，λ為DiBenedetto方程中的參數(shù)，是與材料相關(guān)的常數(shù)。假設(shè)樹(shù)脂的凝膠點(diǎn)為α=0.5，則：當(dāng)α<0.5且T>Tg 時(shí)，樹(shù)脂呈液態(tài)，無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生；當(dāng)α>0.5且T>Tg時(shí)，樹(shù)脂呈橡膠態(tài)，由于整個(gè)固化過(guò)程樹(shù)脂均處于小應(yīng)變水平，橡膠態(tài)樹(shù)脂的本構(gòu)可視為線彈 性； 內(nèi)容來(lái)自123456

    當(dāng)T>Tg時(shí)，樹(shù)脂完成玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，材料本構(gòu)呈線彈性。

    預(yù)浸料通過(guò)壓實(shí)過(guò)程使多余的樹(shù)脂流入吸膠紙，從而控制預(yù)浸料的纖維體積含量。在這一過(guò)程中存在樹(shù)脂流動(dòng)和纖維床的遷移兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于纖維床的遷移需要 壓力差并存在摩擦，導(dǎo)致最終纖維體積含量在厚度方向上存在梯度[7]。對(duì)平板工件，這種纖維體積含量的梯度很?。欢鴮?duì)翻邊倒角處，由于應(yīng)力分布不均以及同 等面積的吸膠紙對(duì)應(yīng)的預(yù)浸料體積差別，導(dǎo)致纖維體積含量在翻邊內(nèi)外兩側(cè)的差別比較顯著，最終影響翻邊處的回彈角水平。 copyright 123456
 

內(nèi)容來(lái)自123456

    預(yù)浸料在曲面上的鋪覆過(guò)程會(huì)對(duì)增強(qiáng)體造成剪切和擠壓，從而導(dǎo)致纖維鋪設(shè)角度發(fā)生變化，當(dāng)剪切角超過(guò)預(yù)浸料的極限角時(shí)甚至可能引起褶皺（圖3）。纖維角度的 變化會(huì)引起局部熱膨脹系數(shù)和模量的改變，從而對(duì)最終的翹曲變形和殘余應(yīng)力分布造成影響。顯然，鋪覆作用的影響程度受工件幾何形貌的影響，對(duì)于曲率較大的工 件，這種作用的影響相對(duì)顯著。

在固化變形分析中，熱膨脹與固化收縮決定了預(yù)浸料應(yīng)變能的水平，而預(yù)浸料的約束方式則直接決定了殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)上的分布狀態(tài)。殘余應(yīng)力在厚度方向上分布的 不平衡導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的翹曲變形。圖4為采用相同預(yù)浸料，經(jīng)歷相同的溫度歷程，在不同約束方式下的兩個(gè)L型件的變形計(jì)算結(jié)果。左圖L 型件外側(cè)施加全約束，固化結(jié)束后釋放約束；右圖L型件內(nèi)側(cè)施加全約束，固化結(jié)束后釋放約束?？梢?jiàn)，采用不同的約束方式將顯著影響最終的變形結(jié)果。

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    [7] 岳廣全,張博明.固化過(guò)程中模具與復(fù)合材料構(gòu)件相互作用研究.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2010(6): 167-171.