復(fù)合材料制件固化過(guò)程中模具變形的數(shù)值模擬

由專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造的模型完成材料的混合過(guò)程和形狀的形成過(guò)程。原材料制成硬化后，幾乎沒(méi)有加工。內(nèi)部組織的學(xué)術(shù)能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，外觀尺寸應(yīng)滿(mǎn)足裝配協(xié)調(diào)要求，不允許強(qiáng)制安裝。對(duì)涉及若干個(gè)復(fù)合材料零件的裝配件,特別是飛機(jī)上尺寸較大、需要保證相互對(duì)應(yīng)的裝配位置的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)膠接件,模具在保證定位的準(zhǔn)確性和可靠性方面更起著關(guān)鍵作用。因此,模具的使用情況不僅關(guān)系到制件固化、脫模等工藝過(guò)程的難易,而且關(guān)系到制件的實(shí)際形狀和尺寸精度。熱壓罐成型工藝過(guò)程中復(fù)合材料制件是在較高溫度和較高壓力下與模具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產(chǎn)生變形,模具的變形對(duì)制件固化變形有一定的影響而最終影響到制件的形狀和尺寸精度。傳統(tǒng)解決模具變形問(wèn)題的方法是在經(jīng)驗(yàn)和工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)零件固化所用模具的型面進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和補(bǔ)償性修正加工,以控制變形程度或抵消變形的影響作用。這種累試的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)料,增加了復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)成本。因此建立一套完整的模具變形分析和預(yù)測(cè)方法是解決模具變形問(wèn)題的關(guān)鍵。目前較流行的熱壓罐成型工藝所用框架式模具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由與制件直接接觸的型面及格柵結(jié)構(gòu)的支撐框格組成,且設(shè)有通風(fēng)口及均風(fēng)孔,同時(shí)型面形狀隨成型制件的形狀變化。圖1所示為垂直安定面蒙皮框架式成型模具,模具的型面是帶有一定曲率的單曲面。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有對(duì)框架式模具工藝過(guò)程中變形研究的相關(guān)報(bào)道。本文中針對(duì)熱壓罐成型所用的框架式模具,建立了模具變形場(chǎng)的數(shù)值預(yù)報(bào)方法,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最后給出了簡(jiǎn)化框架式模具的變形預(yù)報(bào)結(jié)果。對(duì)模具在工藝過(guò)程中變形的預(yù)報(bào)可以指導(dǎo)模具設(shè)計(jì),以控制模具變形程度或抵消變形的影響作用。在研究模具變形場(chǎng)之前,首先要確定如何表征框架式模具的變形,而對(duì)于熱壓罐-框架式模具最重要的是其型面的變形,型面的變形將直接影響與其接觸的制件的成型質(zhì)量,變形場(chǎng)的表征參數(shù)應(yīng)該與型面的變形直接相關(guān),而框架式模具的型面在工藝過(guò)程中的變形主要是沿高度方向的翹曲變形。因此,用型面上各點(diǎn)沿高度方向的最大位移差來(lái)表征型面沿高度方向的翹曲變形程度,作為模具變形場(chǎng)的表征參數(shù)。1框架式模具變形場(chǎng)的計(jì)算金屬材料在受熱或變冷時(shí)由于熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生變形,而熱壓罐內(nèi)模具溫度分布又是不均勻的,模具各部分的變形不一致,從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。此外模具還受到自身重力、復(fù)合材料制件及工裝壓力的共同作用將產(chǎn)生變形。同時(shí)工藝過(guò)程中模具處在密閉的罐內(nèi),其溫度場(chǎng)受罐內(nèi)氣體流動(dòng)及自身結(jié)構(gòu)形式的影響,模具的變形也會(huì)影響到罐內(nèi)的氣體流動(dòng),從而影響其溫度場(chǎng)的分布。因此這是個(gè)流-固耦合的過(guò)程。但是由經(jīng)驗(yàn)和工藝實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叩淖冃螏缀醵荚?mm以?xún)?nèi),而模具的尺寸都在幾米以上,這樣小的變形不會(huì)對(duì)罐內(nèi)的氣體流動(dòng)產(chǎn)生太大的影響,因此不考慮模具變形對(duì)罐內(nèi)氣體流動(dòng)的影響。受模具溫度場(chǎng)分布均勻性及傳熱效果的影響,框架式模具的支撐框格及型面的厚度設(shè)計(jì)得都很薄,約幾毫米,同時(shí)還存在小尺寸的均風(fēng)孔,因此其模擬計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格劃分很困難,這里使用專(zhuān)業(yè)的流體網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行框架式模具的網(wǎng)格劃分,建立的網(wǎng)格模型既可以使用于模具溫度場(chǎng)的流體計(jì)算程序,也可以使用于模具變形的有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算程序,并且流體計(jì)算與結(jié)構(gòu)變形計(jì)算分別使用2種不同的單元類(lèi)型。得到模具變形場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果要經(jīng)過(guò)模具溫度計(jì)算和模具結(jié)構(gòu)變形計(jì)算2個(gè)過(guò)程。模具溫度計(jì)算部分在文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹,本文中主要對(duì)模具變形進(jìn)行研究。經(jīng)流體計(jì)算程序得到模具溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果后,將其作為模具變形場(chǎng)計(jì)算過(guò)程的溫度載荷,循環(huán)計(jì)算的時(shí)間步為5min。在模具變形計(jì)算過(guò)程中不考慮模具與其支撐面間的摩擦,同時(shí)假設(shè)材料屬性不隨溫度變化(473K以?xún)?nèi)材料屬性不隨溫度變化)。選擇Solid45作為結(jié)構(gòu)計(jì)算單元,具有沿x、y、z軸移動(dòng)的3個(gè)自由度。工藝過(guò)程中模具的實(shí)際安放方式是將模具放在水平的架子上自由支撐,四周沒(méi)有固定約束,模具4個(gè)底角處均有高約1cm的焊接支座,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,其它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)程中必有的力載荷。其中溫度載荷是模具溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。2框架式模具擬合圖2所示為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模具在分布不均勻的溫度載荷及自身重力載荷作用下的變形云圖。由于模具型面為曲面,沿其高度方向的變形量不易測(cè)量,因此5個(gè)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于模具底端,其位置分布如圖3所示。這5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿高度方向的變形量可以反映模具變形場(chǎng)的分布情況。實(shí)驗(yàn)所用的框架式模具由帶有一定曲率的型面和6×6個(gè)支撐框格組成,支撐框格壁上設(shè)有通風(fēng)口和均風(fēng)孔,其模型如圖1所示。模具材料為A3鋼,密度ρ=7850kg/m3,彈性模量E=214GP,泊松比ν=0.27,線膨脹系數(shù)α=1.232×10-5/K。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際模具測(cè)量結(jié)果如表1所示。可見(jiàn)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的誤差都在10%以?xún)?nèi),模擬結(jié)果能真實(shí)反映模具的變形場(chǎng)。以上模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較證明該模擬方法可以準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)框架式模具的變形場(chǎng)。3框架式模具型面翹曲變形量的變化曲線以結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的平板型框架式模具為例(圖4所示),分析一下框架式模具在熱壓罐工藝過(guò)程中的變形情況。該平板框架式模具型面為矩形平面,型面厚9mm,支撐框格數(shù)為5×9,每個(gè)框格的尺寸為325mm×235mm×400mm,其壁厚5mm,通風(fēng)口尺寸200mm×220mm,為了減少工作量簡(jiǎn)化的熱壓罐工藝規(guī)范如圖5所示。罐內(nèi)風(fēng)速是2.5m/s,壓力為0.2MPa。由于復(fù)合材料制件固化變形主要發(fā)生在降溫階段,框架式模具變形對(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,因此以降溫階段的模具變形作為研究對(duì)象。在整個(gè)工藝過(guò)程中框架式模具型面翹曲變形量的變化曲線如圖5所示。模具型面變形并非單調(diào)變化的,而是隨時(shí)間先后出現(xiàn)了2個(gè)峰值時(shí)刻,在降溫段的初始階段模具變形量很小,隨著降溫過(guò)程的推進(jìn)模具變形先增大后減小,峰值出現(xiàn)在降溫段的中間時(shí)刻,該時(shí)刻的模具變形云圖見(jiàn)圖6。模具的翹曲變形量為0.22mm,且該變形量在一段時(shí)間內(nèi)變化不大,大約20min,該時(shí)間段的模具變形對(duì)制件固化變形影響最大。在恒溫階段模具的溫度逐漸接近于熱壓罐內(nèi)的固化溫度,分布變得更加均勻,而此時(shí)模具的變形量逐漸減小幾乎為零,這是由于模具的翹曲變形量與模具溫度的分布有關(guān),而與模具溫度的大小無(wú)關(guān)。模具溫度分布不均勻,模具上各處的熱變形就不一致,這樣不一致的變形是導(dǎo)致模具型面翹曲的主要原因。在降溫階段熱壓罐內(nèi)溫度逐漸降低,模具溫度由降溫初始時(shí)的均勻分布變得不均勻,隨之模具型面的翹曲變形量增大,而隨著降溫過(guò)程的推進(jìn)模具溫度又逐漸接近于熱壓罐內(nèi)的溫度,分布又逐漸變得均勻了,于是模具型面的翹曲變形量在經(jīng)歷一個(gè)峰值后逐漸減小。由變形云圖可以發(fā)現(xiàn),在降溫段的峰值時(shí)刻,模具兩端的位移量最小,而模具中間的位移量最大,這是由于降溫段模具的溫度要高于罐內(nèi)的環(huán)境溫度,模具中間的溫度最高,而與罐內(nèi)流動(dòng)的氣體最先接觸的模具周邊區(qū)域的溫度較低接近于罐內(nèi)的溫度,與室溫時(shí)的模具相比溫度高的區(qū)域的熱膨脹位移較溫度低的區(qū)域的熱膨脹位移大。取模具型面沿x方向中線位置的位移量如圖7(a)所示,沿y方向中線位置的位移量見(jiàn)圖7(b),它們反映了模具型面的翹曲情況。圖7(a)中模具在熱壓罐中迎風(fēng)端的位移較高于背風(fēng)端的位移,圖7(b)中沿?zé)釅汗迯较?圖6中的y方向)型面的位移對(duì)稱(chēng)分布,且變形量較小。根據(jù)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件固化變形的研究,層板結(jié)構(gòu)的固化變形量一般都在零點(diǎn)幾毫米左右,框架式模具0.22mm的翹曲變形將會(huì)對(duì)復(fù)合材料的固化變形產(chǎn)生一定的影響。4模具溫度對(duì)模具專(zhuān)業(yè)變形的影響(1)建立了熱壓罐成型用框架式模具變形的有限元數(shù)值模擬方法預(yù)報(bào)模具的變形場(chǎng),經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該計(jì)算模型可對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行較為精確的模擬。(2)