环形复杂曲面自动铺丝成型模具的形变来源与数值仿真

2016-10-21万建平朱春生马军李燕银

电子技术与软件工程 2016年9期

万建平朱春生马军李燕银

【关键词】复合材料铺丝成型 FEM

1 引言

复合材料自动铺丝成型技术（Automated Fiber Placement）综合了自动铺带（ALT）和纤维缠绕（FW）的优点，适应了复杂曲面多变的要求，为复杂曲面成型制造提供了一种极佳的方法，属于国际前沿技术，在航空、航天领域有着广泛的应用。美国全球鹰无人机的发动机整流罩（图1（a）所示）与X-47B舰载无人机的蛇形进气道（图1（c）所示）都采用了AFP成型技术。

下面将剖析环形复杂曲面铺丝时的模具形变机理，并通过有限元法加以分析。

2 AFP成型时环形曲面模具形变的来源及其影响

2.1 AFP成型时环形曲面模具形变的来源

（a）所示的是S形进气道成型模具，（b）所示的是蛇形进气成型模具。那么對它们进行AFP成型时，旋转轴放置在AFP系统的回转支架上，由AFP伺服电机驱动并进行AFP成型操作。根据AFP成型时的形变来源不同，模具形变分为三类；静态形变、动态形变和载荷形变。

AFP成型时大多使用钢模，即使采用空心结构，重量仍然较大。模具在自身重力作用下的形变，称为静态形变；环形类曲面进行回转铺丝成型时，模具在离心力的作用下发生的形变，称为动态形变，例如，由于严重的不对称性，同样铺放参数条件下，图2所示的蛇形进气道模具动态形变将会比S形进气道模具大很多；由于AFP成型不可避免需要铺丝头的滚压作用，滚压力带来的模具变形，称为载荷形变。

2.2 三种形变的影响

AFP成型的产品形变由成型和固化两个阶段决定，控制成型时的形变是基础，是本研究的重点，在此需要分析其对最终产品形变的影响。固化产生的形变则与铺丝的路径有关，属于另外一种形变类型，在此不做分析。

（1）静态形变的影响。由于AFP成型之后，复合材料要与模具一起放置在热压罐成型。因此，模具静态形变的影响一直会伴随着产品的整个成型、固化过程，不会解除。为了控制产品制造的误差，模具制造和模具静态形变都需要分取公差的一部分。

（2）动态形变的影响。由于动态形变是在模具回转时产生的，当AFP成型完成之后，理论上可以消失。但实际上，如果动态形变太大时，则可能破坏原有的连接状态，仍需要加以控制。

（3）载荷形变的影响。尽管载荷形变影响有限，但由于它会影响到材料的均匀性，也需要加以控制。

总之，上述三种形变都需要加以控制。为了提前知道理想条件下控制的效果，采用ANSYS对控制效果进行FEM分析，很有必要。

3 蛇形管道形变仿真分析

为了更好地控制AFP成型形变，需要通过仿真来预测，以便采取反制措施。

3.1 静态形变与载荷形变的仿真

将图2（b）所示的蛇形进气的成型模具输入ANSYS Workbench系统。选择合理的单元划分精度（0.5mm），采用的单元类型为Solid 186，对其进行单元网格划分。再选择在ANSYS Workbench的simulation模块中，打开相关的对话框，按表1填入属性值。在模具两端加以支撑约束，整个模具受到体分布的重力作用。在上述条件下对蛇形进气的成型模具进行FEM分析，得出静态的竖向形变云图如图3（a）所示。

3.2 动态形变的仿真

在静态分析之后，将模型的密度改为0值，其余不变。设定其旋转角速度为15r/min。选择旋转中心，对该模具的转动时的动态形变进行有限元分析，得到动态竖向形变云图如图3（b）所示。

3.3 载荷形变的仿真

载荷形变分析，材料密度设为0值，加载大小为25公斤，加载范围约为50mm×120mm范围（中部、均布）。得出相应的竖向形变云图如图3（c）所示。

4 仿真结果总结及形变控制策略

通过上面的有限元分析，总结如下：

（1）静态形变最大，为主要形变来源，需要加以严格控制；

（2）动态形变在较低转速时，可控制在理想范围内；

（3）正常的滚压力带来的载荷形变非常有限，可以忽略。

根据上面总结，相应的控制策略为：

（1）在模具设计、制造和安装时，尽可能考虑模具的静态刚度；

（2）对于转轴非对称性较大的环形曲面，AFP成型时的转速，应适度加以控制。