工装模具对复合材料成型工装的固化变形影响-人工改重案例

发布日期:2022-02-25 09:26:51


  碳纤维增强树脂基复合材料整体化成型过程中,成型工装与复合材料构件之间的热不匹配、框架式工装变形及温度分布都会对复合材料构件的固化变形造成一定的不利影响。本文利用ABAQUS有限元分析软件,从工装结构形式和模具材质的角度分析了工装结构对U形复合材料件固化变形的影响进行了有限元数值分析。对于企业中广泛使用的3种成型工装结构(斜撑式、立柱式、侧板式),立柱式成型工装在加热固化过程中,温度分布更均匀,使复合材料件的固化变形更小;而在模具的材质(普通碳钢、Invar钢、复合材料)方面,复合材料模具由于热膨胀系数与U形结构件更接近,相对于其他材质的模具,对复合材料件的固化变形影响较小。


  碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于可设计性、低成本、比强度高等特点,在航空航天、汽车制造、航海等领域的应用日益广泛[1-4]。国内的树脂基复合材料制造技术经过多年的发展,已初步形成了以热熔预浸料制造、热压罐和树脂传递模塑(RTM)成型技术为代表的先进树脂基复合材料制造技术体系;其中,热压罐成型工艺目前是航空航天器用CFRP的主要成型工艺[4]。然而,CFRP结构在经历高温固化成型及冷却过程后,由于材料的热胀冷缩效应、树脂基体的化学反应收缩效应,以及与成型所用模具材料在热膨胀系数上的显著差异,其在室温下的自由形状与预期的理想形状之间会产生一定程度的不一致,这种不一致导致构件产生固化变形。固化变形会影响构件的外形尺寸,而复合材料构件固化成型后其力学性能要达到设计要求,外形尺寸也应满足装配协调要求,不允许强迫装配,特别是对于尺寸较大、需要保证相互对应的装配位置的复合材料整体化成型的结构件。国内外学者对复合材料构件的固化变形进行一些研究,国内的张纪奎[5]等以L形层合板为例,分析了固化工艺、结构设计和模具等因素对固化变形的影响方式和程度;郭兆璞[6]、傅承阳[7]等,以及国外的E.T.Kheir[8],LangeJ[9]等研究了复合材料结构件在固化成型过程中的固化变形和残余应力分布情况,但是在工装模具结构优化方面的研究非常少[10,11]。


  热压罐整体化成型工艺中,模具与复合材料构件之间的热不匹配、柔性模具的使用、框架式工装变形及温度分布都会对构件的固化变形造成一定的不利影响,研究这些模具因素的作用规律,对减小及控制构件固化变形具有重要意义。本文利用非线性有限元分析软件ABAQUS,以U形碳纤维树脂基复合材料结构件为例,从工装结构和模具材质方面对该结构件的固化变形进行研究,得到了不同条件下的结构设计优化方案。由于本文讨论的工装结构和模具选材有着普遍的适用性,因此提出的工装模具设计方案具有一定的指导意义。


  1.有限元模型的建立


  1.1成型工装有限元模型


  框架式成型工装是热压罐成型工艺常用的固化工装,由与构件直接接触的模具及格栅结构的支撑框格组成,且在支撑框格上设有通风口及均风孔。框架式工装不仅能够满足复合材料构件的固化成型精度要求,而且还可以保证热压罐内加热气体的充分流动。


  本文以U形复合材料成型工装模具为例,设计了三种不同结构的框架式成型工装,三种成型工装的CATIA三维模型见图1(a)~(c)所示。其中,图1(a)为斜撑式工装,图1(b)为立柱式工装,图1(c)为侧板式工装。以斜撑式工装为例,建立的有限元模型见图1(d)所示,采用8节点Tem-dis单元进行网格划分,单元总数为105,054,节点数为721,357;立柱式工装和侧板式工装按照相同的单元类型和大小进行网格划分。

工装模具对复合材料成型工装的固化变形影响

  (a)(b)


  (c)(d)


  图1成型工装三维模型及斜撑式工装有限元模型


  Fig.13Dmodelofformingtoolingandthefiniteelementmodelofinclinedstrut


  1.2U形结构件的有限元模型


  U形复合材料结构件的几何外型尺寸见图2(a)所示。其中,参考点A、B、C的位置坐标见图2(b)所示;参考点A、D、E、F沿轴向的位置分布情况见图2(c)所示。有限元网格划分见图3所示,采用8节点Tem-dis单元、ABAQUS/Standard求解器进行计算,单元总数为5,054,节点数为21,357,铺层方式为[0︒/90︒]5,见图3所示。


  (a)复合材料结构件三维图(b)横截面尺寸及参考点位置


  (c)纵向尺寸及参考点位置


  图2复合材料结构件几何外型尺寸示意图(/mm)


  Fig.2Geometricshapeanddimensionofcompositestructure


  图3U形复材结构件网格划分情况


  Fig.3MeshingofU-shapedcompositestructure


  1.3固化工艺和材料性能参数


  U形复合材料材料构件以航空工程中广泛使用的T300/AG80复合材料为研究对象,相应的材料性能参数见表1所示,该材料的固化温度工艺见图4所示,固化压力值0.4MPa。三种模具材料INVAR钢、普通碳钢和复合材料的性能参数见表1所示。


  图4固化温度曲线


  Fig.4Thecurveofcuringtemperature


  表1材料力学性能参数


  Table1Mechanicalpropertyofmaterials


  基本性能 碳纤维编织布 模具材料


   T300/AG80 INVAR钢 普通碳钢 复合材料


  热膨胀系数 1.22 2.5 12 3.6


  比热 879 515 434 862


  热传导率 0.041 10.7 60.5 0.5


  弹性模量 142 210 120


  剪切模量 - - -


  泊松比 0.25 0.3 0.2


  2.工装结构对复合材料固化变形的影响


  2.1斜撑式工装有限元分析结果


  在分析工装结构对复合材料固化变形的影响时,工装和模具的选材均使用普通碳钢进行分析。U形复材结构件和斜撑式成型工装模具的固化变形有限元分析结果见图5所示,为了更加具体的对复合材料结构件和工装模具在固化过程中的温度、应力和变形的变化趋势进行分析,在复合材料结构件和模具的相同位置选取图2(a)、(b)中的参考点,得到图6的分析结果。其中,图6(a)和(b)为复合材料结构件参考点处的变形量和应力随固化温度变化的曲线;图6(c)和(d)为斜撑式工装参考点处的变形量和应力随固化温度变化的曲线;图6(e)为复合材料结构件与斜撑式工装相同参考点处的变形量的差值随固化温度变化的曲线;图6(f)为各参考点温度的平均值。


  热压成型过程中,复合材料结构件内表面与拥有相同固化温度气体直接接触,而外表面与模具接触,导致复合材料结构件的平均温度低于固化温度;另外,在固化温度和压力的作用下,复合材料的结构与模具之间出现了剪切应力;模具和复合材料结构件承受压缩和拉伸应力。由于复合材料结构件具有低剪切模量,导致模具和复合结构件与模具的接触面的产生最大的剪切应力;同时,距离越远,应力越小。因此,沿复合材料的结构件厚度方向出现应力梯度,从而导致复合材料结构件的变形。由图6可知,沿纵向方向的参考点的变形和应力随距离的增加而减小;在横截面,倒角位置(B点)处变形最大和应力较低,是复合材料结构件制造中易出现的缺陷的位置。


  (a)U形复合材料结构件固化变形云图(b)斜撑式成型工装模具固化变形云图


  图5有限元分析结果


  Fig.5Theresultoffiniteelementanalysis


  (a)(b)


  (c)(d)


  (e)(f)


  图6斜撑式工装各参考点处的有限元分析结果


  Fig.6Thefiniteelementanalysisresultsofreferencepointsofinclinedstrut


  2.2立柱式工装分析结果


  立柱式工装有限元分析过程结果见图7所示,图7(a)为复合材料结构件各参考点的温度随时间变化的曲线;图7(b)和(c)分别为复合材料结构件和立柱式成型工装各参考点的变形随温度变化的曲线;图7(d)为复合材料结构件与立柱式工装相同参考点处的变形量的差值随固化温度变化的曲线。


  由图7可知,与斜撑式工装相比,立柱式工装能使模具外表面加热更加均匀和充分,另外由于立柱式工装结构简单,导致其刚度和强度下降,从而产生大的变形。但是,立柱式工装下的复合材料结构件与成形工装之间的变形差小于斜撑式工装下的复合材料结构件与成形工装之间的变形差,从控制复合材料结构件固化变形角度来说,立柱式工装的性能要优于斜撑式工装。


  (a)(b)


  (c)(d)


  图7立柱式工装各参考点处的有限元分析结果


  Fig.7Thefiniteelementanalysisresultsofreferencepointsofcolumntype


  2.3侧板式工装分析结果


  侧板式工装有限元分析结果见图8所示,图8(a)为复合材料结构件各参考点温度随时间变化的曲线;图8(b)和(c)分别为复合材料结构件和侧板式工装各参考点的变形量随温度变化的曲线;图8(d)为复合材料结构件与侧板式工装相同参考点处的变形量的差值随固化温度变化的曲线。由图6~8可知,侧板式成型工装的最大固化变形量要小于立柱式成型工装,大于斜撑式成型工装;同时,由于三种成型工装的结构强度、刚度和热传递方式的不同,可以很明显的看出三者应力变化存在差异。因此,不同的热传递过程导致不同的工装对复合材料结构件和模具的应力、变形有显著的影响。从复合材料结构件固化变形的角度来说,成型工装和复合材料结构件的变形量越接近,复合材料结构件固化变形越小。


  (a)(b)


  (c)(d)


  图8侧板式工装各参考点处的有限元分析结果


  Fig.8Thefiniteelementanalysisresultsofreferencepointsofsideplate


  3.模具材料对复合材料固化变形的影响


  针对模具材料对复材结构固化变形的影响,以斜撑式成型工装为研究对象,上节已对普通碳钢材质的模具进行分析,本节仅对以INVAR钢、碳纤维环氧树脂为模具材质的斜撑式成型工装进行分析和讨论,工装材质仍为普通碳钢。


  3.1INVAR钢模具


  INVAR钢模具的斜撑式成型工装有限元分析结果见图9所示,图9(a)为复合材料结构件各参考点的温度随时间变化的曲线;图9(b)和(c)分别为复合材料结构件和INVAR钢模具的斜撑式成型工装各参考点的变形随温度变化的曲线;图9(d)为复合材料结构件与INVAR钢模具的斜撑式成型工装相同参考点处的固化变形量的差值随固化温度变化的曲线。


  与普通碳钢模具,各参考点的温度分布更加均匀,并且温度值更接近固化工艺温度值,见图6;另外,各参考点的温度分布规律与普通碳钢模具一致;在变形方面,由于INVAR钢较低的热膨胀系数,并且与复合材料结构件的热膨胀系数更接近,相比普通碳钢模具产生的热变形更小,同时受热均匀性的提高,共同导致复合材料构件各参考点处的变形量减小。基于以上优势,再加上INVAR钢表面粗糙度好,气密性好,热膨胀系数与复合材料热膨胀系数匹配,适于型面复杂、尺寸精度要求高的热固性复合材料成型模具的制造,这也是目前INVAR钢被广泛应用于热固性复合材料成型模具制造中的重要因素。


  (a)(b)


  (c)(d)


  图9INVAR钢模具有限元分析结果


  Fig.9ThefiniteelementanalysisresultsofINVAR


  3.2复合材料模具


  复合材料模具的斜撑式成型工装有限元分析结果见图10所示,图10(a)为复合材料结构件各参考点的温度随时间变化的曲线;图10(b)和(c)分别为复合材料结构件和碳纤维环氧树脂材料为模具材质的斜撑式成型工装各参考点的固化变形随温度变化的曲线;图10(d)为复合材料结构件与碳纤维环氧树脂材料为模具的斜撑式成型工装相同参考点处的变形量的差值随固化温度变化的曲线。


  与INVAR相比,由于在比热和热传导率方面的互补,两者在温度分布方面的性能比较接近(见图10(a)),且温度分布均匀程度都比合金钢模具高;在变形方面,由于模具和结构件热膨胀系数的相同,再加上受热的均匀性,使以碳纤维环氧树脂材质为模具的斜撑式工装,使模具和复合材料结构件各相应参考点的变形具有良好的一致性(图10(d))。从结构件和成型工装在成型过程中变形一致为前提来讲,碳纤维环氧树脂材质为模具的斜撑式工装的性能要略优于INVAR钢。但是复合材料模具要求有较高的模具设计和制造水平,并且制造时必须有母模,用预浸料在母模上铺叠而成,这样其制造成本相应比较大,因此在工程应用中,使用的较少。


  (a)(b)


  (c)(d)


  图10复合材料模具有限元分析结果


  Fig.10Thefiniteelementanalysisresultsofcompositemould


  4.结论


  (1)热压罐固化过程中,对于复合材料结构件,距离对称面越远,变形越大,但是应力越小;复合材料结构件的倒角位置更容易出现缺陷,产生较大的变形量。


  (2)在相同模具的前提下,不同的工装结构对复合材料结构件和模具的温度传递有非常大的影响,从而导致不同的变形和应力。从控制复合材料结构件变形的角度来说,立柱式工装性能最优;


  (3)从控制成本和工程实际应用的角度,INVAR钢模具在减小复合材料固化变形方面性能较优好。


  


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