CN106626449A - 考虑固化变形的复合材料v型构件热压罐成型工装型面的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法，属于纤维增强复合材料构件成型技术领域。本发明根据热压罐成型工艺的特点，利用有限元方法，把V型构件的设计形状当做固化变形后的形状，作为计算初始条件，逆向求解构件成型前的形状，从而得到工装的设计型面，按照该型面成型的构件在热压罐中成型后就成为了构件的设计形状。应用本发明所述的设计方法不用反复试错修模，降低了构件的生产成本，缩短了生产周期，提高了纤维增强复合材料构件的生产效率和生产质量。

Description

考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设 计方法

技术领域

本发明属于纤维增强复合材料构件成型技术领域，涉及一种考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法。

背景技术

相比于金属材料，纤维增强树脂基复合材料的比强度高、比模量大，耐腐蚀，对疲劳不敏感，材料性能灵活可设计。基于上述优良性能，碳纤维增强树脂基复合材料在航空领域的用量越来越大，复合材料在飞机中的用量已经成为了评估飞机先进性的一个重要指标。

目前，复合材料构件主要采用热压罐成型工艺制造。在热压罐成型过程的初期阶段，纤维增强树脂基复合材料的模量低，产生的残余应力小。随着热压罐内温度升高到复合材料的玻璃化温度，材料的模量急速增大。在随后的过程中，温度变化产生的残余应力是导致构件发生固化变形的主要原因。对于V型构件，固化变形的主要因素是固化过程中的固化收缩和热膨胀。在成型过程中，材料发生一系列的物理化学反应使得材料属性不断发生变化，再加上纤维增强树脂基复合材料的属性为各向异性，使得构件成型完毕后产生固化变形，最后所得形状与预想的设计形状不同。这种现象使得构件的装配难度增大，降低了装配效率和装配质量。对于飞行器外部的构件，固化变形还会影响飞机的气动外形，固化变形严重时还会导致构件报废，增加制造成本，延长生产周期。

传统的应对方法是采用试错法反复修改构件成型工装的型面，即构件产生固化变形后，修改构件成型的工装型面，再次试制构件，若变形超出要求，则继续修正，直至满足要求。试错法需要反复试错修模，生产成本高，生产周期长，不利于复合材料构件的生产。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法。本发明根据热压罐成型工艺的特点，利用有限元方法，把V型构件的设计形状当做固化变形后的形状，作为计算初始条件，逆向求解构件成型前的形状，从而得到工装的设计型面，按照该型面成型的构件在热压罐中成型后就成为了构件的设计形状。

本发明提出一种考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法，具体步骤如下：

(1)在有限元软件中建立V型构件的设计形状模型；

(2)根据所述的V型构件的设计形状模型特征给模型划分网格，并且按照实际生产情况给模型赋予复合材料铺层；

(3)根据所述的网格结构设置V型构件的设计形状模型的边界条件；

(4)根据复合材料固化过程中温度的变化设置变化的温度场；由于是采用的逆向求解的方式，温度场的变化与实际固化过程中施加的温度场时序相反；

(5)根据在所述的温度场中材料属性变化的特征，以及材料的本构关系计算得到材料因为机械应力和热膨胀带来的形变；

(6)根据所述的边界条件及形变计算得到构件的形状即是构件固化变形前的形状，提取构件变形前的表面作为工装的设计型面。

本发明是一种考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法，其优点和有益效果在于：应用这种设计方法不用反复试错修模，降低了构件的生产成本，缩短了生产周期，提高了纤维增强复合材料构件的生产效率和生产质量。

附图说明

图1是本发明考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法流程图；

图2是根据本发明实施例建立的复合材料V型构件模型示意图；其中，a为1:1缩放的正视图，b为1:1缩放的左视图，c为1:1缩放的等轴侧视图；

图3是对图2所示的模型进行网格划分的有限元模型图；

图4是对图3有限元模型位移约束的示意图；

图5是复合材料构件在热压罐中经历的温度时序图；

图6是有限元计算采用的热压罐温度逆时序图；

图7是复合材料构件逆向计算的变形云图；

图8是生成V型构件工装型面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述的考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法，以理想的设计模型为计算的初始条件，逆向计算得到构件在固化变形前的形状，根据变形前的形状提取工装型面，确保按照工装型面成型的构件在热压罐中发生固化变形后的形状与设计形状相同。本发明整体方法流程如图1所示，下面结合实施例对各步骤作如下具体说明：

(1)在有限元软件中建立V型构件的设计形状模型，具体为：以复合材料拐角处典型构件为例，在有限元软件中建立厚度为3mm，宽度为20mm，直边长度为60mm，拐角角度为60°，拐角半径为内5mm外8mm的三维V型模型，如图2所示。该模型是理想的设计模型，在热压罐中成型的构件变形后应该与该模型保持一致才能满足设计要求。

(2)根据所述的V型构件的设计形状模型特征给模型划分网格，并且按照实际生产情况给模型赋予复合材料铺层。本发明实施例具体为：给所述的三维V型模型划分结构化网格，并且根据实际情况给所述的三维V型模型赋予复合材料铺层。算例的铺层为[-45/90/45/0]_3S，24层准各向同性对称铺层。网格形状如图3所示。

(3)根据所述的网格结构设置V型构件的设计形状模型的边界条件。本发明实施例具体为：如图4所示，给所述的三维V型模型设置边界条件，约束V型构件一端的四个节点，对左下方的节点约束X、Y、Z三个方向上的位移，保证构件不发生空间位移；对左上方节点约束X方向和Y方向的位移，保证构件不发生绕Y轴和绕X轴的转动；对右下方的节点约束Y方向和Z方向的位移，保证构件不发生绕Z轴和Y轴的转动；对右上方的节点约束Y方向上的位移，保证构件不发生绕Z轴的转动。

(4)根据复合材料固化过程中温度的变化设置变化的温度场。本发明实施例具体为：复合材料构件在热压罐中实际经历的温度场时序，如图5所示；由于是采用的逆向求解的方式，温度场的变化与图5所示实际经历的温度场时序相反；因此对所述的三维V型模型设置逆向的温度场，逆向计算的结果如图6所示。

(5)根据在所述的温度场中材料属性变化的特征，以及材料的本构关系编写子程序，计算得到材料因为机械应力和热膨胀带来的形变，也就是完成所述的固化过程后复合材料所经历的形变。

本发明实施例具体为：纤维增强树脂基复合材料在热压罐固化的过程中，材料的弹性常数不是一个固定值，而是随着温度和固化度的变化而变化的。但是，在一个给定的很小的时间步中，可以把弹性常数当作是不变的。因此，尽管不能保证机械应力σ＝Eε，但是总能满足dσ＝Edε，其中E是材料的瞬时模量，ε是应变代表变形，dε代表在很小的时间步中的变形。

正交各向异性材料的应力-应变关系满足ε＝Sσ，其中S是材料的柔度矩阵；材料的雅克比矩阵定义纤维增强树脂基复合材料的纤维方向为1方向，厚度方向为3方向，则2方向为垂直于1方向和3方向构成的平面；通过实验或者计算得到不同时刻正交各向异性材料的9个弹性常数：E₁、E₂、E₃、v₁₂、v₁₃、v₂₃、G₁₂、G₁₃、G₂₃和3个方向的热膨胀系数：α₁、α₂、α₃；其中，E₁、E₂和E₃分别是材料1方向、2方向和3方向的弹性模量，v₁₂、v₁₃、v₂₃分别是材料12方向、13方向和23方向的泊松比，G₁₂、G₁₃、G₂₃分别是12方向、13方向和23方向的剪切模量，α₁、α₂、α₃分别为材料1方向、2方向和3方向的热膨胀系数。

正交各向异性柔度矩阵S满足：

材料的雅克比矩阵J＝S^-1通过子程序编程求柔度矩阵的逆得到，Δσ＝JΔε，σ_n+1＝σ_n+Δσ。材料的机械应力求解通过累加即可完成。

同理，材料因为热膨胀带来的应变Δε_T＝αΔT，其中α为热膨胀系数，T代表温度。

(6)根据所述的边界条件及形变计算得到构件的形状即是构件固化变形前的形状，提取构件变形前的表面作为工装的设计型面，具体为：如图7所示，透明部分的形状是V型构件发生固化变形后的形状，即理想模型；实体部分是经计算后得到的构件固化变形前的形状，即工装型面。在有限元软件中根据已设置的边界条件及计算得到的形变输出V型构件固化变形前的内表面或者外表面的节点，在CATIA三维建模软件中可生成工装型面，如图8所示。

通过上述步骤，按照在所述CATIA三维建模软件中生成的工装型面成型的构件，在热压罐中发生固化变形后的形状与理想的设计模型相同。本发明实施例所述方法对于其他形状的V型构件均适用。

Claims (2)

1.考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)在有限元软件中建立V型构件的设计形状模型；

(2)根据所述的V型构件的设计形状模型特征给模型划分网格，并且给模型赋予复合材料铺层；

(3)根据所述的网格结构设置V型构件的设计形状模型的边界条件；

(4)根据复合材料固化过程中温度的变化设置变化的温度场；温度场的变化与V型构件在热压罐成型过程中实际施加的温度场时序相反；

(5)根据在所述的温度场中材料属性变化的特征，以及材料的本构关系编写子程序，所述的子程序用于获取所述的固化过程中复合材料因为机械应力和热膨胀带来的形变；

(6)根据所述的边界条件及形变计算得到构件的形状即是构件固化变形前的形状，提取构件变形前的表面作为工装的设计型面。

2.根据权利要求1所述的考虑固化变形的复合材料V型构件热压罐成型工装型面的设计方法，其特征在于：所述的编写子程序的过程如下：所述的复合材料为正交各向异性材料，其应力-应变关系满足ε＝Sσ，其中ε是应变代表变形，S是材料的柔度矩阵，σ是机械应力；材料的雅克比矩阵定义复合材料的纤维方向为1方向，厚度方向为3方向，则2方向为垂直于1方向和3方向构成的平面；通过计算得到不同时刻正交各向异性材料的9个弹性常数：E₁、E₂、E₃、v₁₂、v₁₃、v₂₃、G₁₂、G₁₃、G₂₃和3个方向的热膨胀系数：α₁、α₂、α₃；其中，E₁、E₂和E₃分别是材料1方向、2方向和3方向的弹性模量，v₁₂、v₁₃、v₂₃分别是材料12方向、13方向和23方向的泊松比，G₁₂、G₁₃、G₂₃分别是12方向、13方向和23方向的剪切模量，α₁、α₂、α₃分别为材料1方向、2方向和3方向的热膨胀系数；

正交各向异性柔度矩阵S满足：

$S=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{1}{E_1}& \frac{-v_{21}}{E_2}& \frac{-v_{31}}{E_3}& 0& 0& 0\\ \frac{-v_{12}}{E_1}& \frac{1}{E_2}& \frac{-v_{32}}{E_3}& 0& 0& 0\\ \frac{-v_{13}}{E_1}& \frac{-v_{23}}{E_2}& \frac{1}{E_3}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{G_{23}}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& \frac{1}{G_{13}}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& \frac{1}{G_{12}}\end{array}\right]$

材料的雅克比矩阵J＝S^-1通过子程序编程求柔度矩阵的逆得到，Δσ＝JΔε，σ_n+1＝σ_n+Δσ；材料的机械应力求解通过累加得到；

材料因为热膨胀带来的应变Δε_T＝αΔT，其中α为热膨胀系数，T代表温度。