复合材料制件固化过程中模具变形的数值模拟

复合材料制件固化过程中模具变形的数值模拟

由专门设计制造的模型完成材料的混合过程和形状的形成过程。原材料制成硬化后，几乎没有加工。内部组织的学术能力达到设计要求，外观尺寸应满足装配协调要求，不允许强制安装。对涉及若干个复合材料零件的装配件,特别是飞机上尺寸较大、需要保证相互对应的装配位置的复合材料结构胶接件,模具在保证定位的准确性和可靠性方面更起着关键作用。因此,模具的使用情况不仅关系到制件固化、脱模等工艺过程的难易,而且关系到制件的实际形状和尺寸精度。热压罐成型工艺过程中复合材料制件是在较高温度和较高压力下与模具一起放在真空热压罐中固化成型的,模具在这个过程中承受高温热载荷、自身重力及工装压力的共同作用产生变形,模具的变形对制件固化变形有一定的影响而最终影响到制件的形状和尺寸精度。传统解决模具变形问题的方法是在经验和工艺试验的基础上对零件固化所用模具的型面进行反复的调整和补偿性修正加工,以控制变形程度或抵消变形的影响作用。这种累试的方法费时费料,增加了复合材料的开发成本。因此建立一套完整的模具变形分析和预测方法是解决模具变形问题的关键。目前较流行的热压罐成型工艺所用框架式模具的结构复杂,由与制件直接接触的型面及格栅结构的支撑框格组成,且设有通风口及均风孔,同时型面形状随成型制件的形状变化。图1所示为垂直安定面蒙皮框架式成型模具,模具的型面是带有一定曲率的单曲面。目前国内外还没有对框架式模具工艺过程中变形研究的相关报道。本文中针对热压罐成型所用的框架式模具,建立了模具变形场的数值预报方法,并进行了实验验证,最后给出了简化框架式模具的变形预报结果。对模具在工艺过程中变形的预报可以指导模具设计,以控制模具变形程度或抵消变形的影响作用。在研究模具变形场之前,首先要确定如何表征框架式模具的变形,而对于热压罐-框架式模具最重要的是其型面的变形,型面的变形将直接影响与其接触的制件的成型质量,变形场的表征参数应该与型面的变形直接相关,而框架式模具的型面在工艺过程中的变形主要是沿高度方向的翘曲变形。因此,用型面上各点沿高度方向的最大位移差来表征型面沿高度方向的翘曲变形程度,作为模具变形场的表征参数。1框架式模具变形场的计算金属材料在受热或变冷时由于热胀冷缩会产生变形,而热压罐内模具温度分布又是不均匀的,模具各部分的变形不一致,从而导致热应力的产生。此外模具还受到自身重力、复合材料制件及工装压力的共同作用将产生变形。同时工艺过程中模具处在密闭的罐内,其温度场受罐内气体流动及自身结构形式的影响,模具的变形也会影响到罐内的气体流动,从而影响其温度场的分布。因此这是个流-固耦合的过程。但是由经验和工艺实验模具的变形几乎都在1mm以内,而模具的尺寸都在几米以上,这样小的变形不会对罐内的气体流动产生太大的影响,因此不考虑模具变形对罐内气体流动的影响。受模具温度场分布均匀性及传热效果的影响,框架式模具的支撑框格及型面的厚度设计得都很薄,约几毫米,同时还存在小尺寸的均风孔,因此其模拟计算时的网格划分很困难,这里使用专业的流体网格划分软件进行框架式模具的网格划分,建立的网格模型既可以使用于模具温度场的流体计算程序,也可以使用于模具变形的有限元结构计算程序,并且流体计算与结构变形计算分别使用2种不同的单元类型。得到模具变形场的计算结果要经过模具温度计算和模具结构变形计算2个过程。模具温度计算部分在文献中有详细介绍,本文中主要对模具变形进行研究。经流体计算程序得到模具温度场的计算结果后,将其作为模具变形场计算过程的温度载荷,循环计算的时间步为5min。在模具变形计算过程中不考虑模具与其支撑面间的摩擦,同时假设材料属性不随温度变化(473K以内材料属性不随温度变化)。选择Solid45作为结构计算单元,具有沿x、y、z轴移动的3个自由度。工艺过程中模具的实际安放方式是将模具放在水平的架子上自由支撑,四周没有固定约束,模具4个底角处均有高约1cm的焊接支座,在模拟计算时可以看作模具底面4个底角中的1个固定,其它3个底角只限制沿高度方向的变形为零。所需施加的载荷包括模具温度载荷、模具自身重力载荷及制件和工装的压力载荷,这些是复合材料制件成型过程中必有的力载荷。其中温度载荷是模具温度场的计算结果。2框架式模具拟合图2所示为实验验证模具在分布不均匀的温度载荷及自身重力载荷作用下的变形云图。由于模具型面为曲面,沿其高度方向的变形量不易测量,因此5个实验监测点位于模具底端,其位置分布如图3所示。这5个监测点沿高度方向的变形量可以反映模具变形场的分布情况。实验所用的框架式模具由带有一定曲率的型面和6×6个支撑框格组成,支撑框格壁上设有通风口和均风孔,其模型如图1所示。模具材料为A3钢,密度ρ=7850kg/m3,弹性模量E=214GP,泊松比ν=0.27,线膨胀系数α=1.232×10-5/K。模拟计算结果与实际模具测量结果如表1所示。可见5个监测点的误差都在10%以内,模拟结果能真实反映模具的变形场。以上模拟与实验结果的比较证明该模拟方法可以准确地预报框架式模具的变形场。3框架式模具型面翘曲变形量的变化曲线以结构最简单的平板型框架式模具为例(图4所示),分析一下框架式模具在热压罐工艺过程中的变形情况。该平板框架式模具型面为矩形平面,型面厚9mm,支撑框格数为5×9,每个框格的尺寸为325mm×235mm×400mm,其壁厚5mm,通风口尺寸200mm×220mm,为了减少工作量简化的热压罐工艺规范如图5所示。罐内风速是2.5m/s,压力为0.2MPa。由于复合材料制件固化变形主要发生在降温阶段,框架式模具变形对复合材料制件固化变形的影响也主要发生在降温阶段,因此以降温阶段的模具变形作为研究对象。在整个工艺过程中框架式模具型面翘曲变形量的变化曲线如图5所示。模具型面变形并非单调变化的,而是随时间先后出现了2个峰值时刻,在降温段的初始阶段模具变形量很小,随着降温过程的推进模具变形先增大后减小,峰值出现在降温段的中间时刻,该时刻的模具变形云图见图6。模具的翘曲变形量为0.22mm,且该变形量在一段时间内变化不大,大约20min,该时间段的模具变形对制件固化变形影响最大。在恒温阶段模具的温度逐渐接近于热压罐内的固化温度,分布变得更加均匀,而此时模具的变形量逐渐减小几乎为零,这是由于模具的翘曲变形量与模具温度的分布有关,而与模具温度的大小无关。模具温度分布不均匀,模具上各处的热变形就不一致,这样不一致的变形是导致模具型面翘曲的主要原因。在降温阶段热压罐内温度逐渐降低,模具温度由降温初始时的均匀分布变得不均匀,随之模具型面的翘曲变形量增大,而随着降温过程的推进模具温度又逐渐接近于热压罐内的温度,分布又逐渐变得均匀了,于是模具型面的翘曲变形量在经历一个峰值后逐渐减小。由变形云图可以发现,在降温段的峰值时刻,模具两端的位移量最小,而模具中间的位移量最大,这是由于降温段模具的温度要高于罐内的环境温度,模具中间的温度最高,而与罐内流动的气体最先接触的模具周边区域的温度较低接近于罐内的温度,与室温时的模具相比温度高的区域的热膨胀位移较温度低的区域的热膨胀位移大。取模具型面沿x方向中线位置的位移量如图7(a)所示,沿y方向中线位置的位移量见图7(b),它们反映了模具型面的翘曲情况。图7(a)中模具在热压罐中迎风端的位移较高于背风端的位移,图7(b)中沿热压罐径向(图6中的y方向)型面的位移对称分布,且变形量较小。根据对复合材料构件固化变形的研究,层板结构的固化变形量一般都在零点几毫米左右,框架式模具0.22mm的翘曲变形将会对复合材料的固化变形产生一定的影响。4模具温度对模具专业变形的影响(1)建立了热压罐成型用框架式模具变形的有限元数值模拟方法预报模具的变形场,经实验验证该计算模型可对实际情况进行较为精确的模拟。(2)