空间曲面类复合材料构件固化变形修正技术研究

刘宝明，项 松，薛继佳，曲长征

（1.沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学 辽宁省通用航空重点实验室，沈阳 110136）

空间曲面类复合材料构件固化变形修正技术研究

刘宝明1，项 松2，薛继佳2，曲长征2

（1.沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学 辽宁省通用航空重点实验室，沈阳 110136）

针对空间曲面类复材构件固化变形问题，提出采用在标准工装上预铺复材型面的方式获取变形规律，预测构件的固化变形，通过反向修正预先补偿变形量生成工艺数模，用于制作模具型面。详细介绍了修正计算方法和步骤，并通过对机翼曲面进行实际修正，获得了理想的成型精度，证明了该方法可以有效的降低变形，提高制件精度。

复合材料；标准工装；变形修正；工艺数模

0　引言

热压罐成型是目前航空用先进复合材料构件成型的主要方法之一，在成型过程中产生的固化变形是复合材料构件成本过高和质量不稳定的主要原因。复合材料固化变形涉及碳纤维性能、树脂基体性能、模具结构、模具材料性能、固化温度场分布情况、固化制度、固化过程中化学反应、零件结构等多种因素，各种影响因素相互作用，综合作用的结果体现在复合材料零件的变形上，因此复合材料固化变形极其复杂，很难进行控制。固化变形问题直接影响复合材料在飞机上的应用，目前复合材料零件的外形精度控制已经影响了我国航空工业在复合材料应用方面的快速发展。

国内外学者从理论与试验方面做了大量研究工作，分析了各因素对复合材料构件成型质量的影响［1～6］，也取得了骄人的成绩，但大部分研究者是对影响复合材料构件成型的若干种因素进行单独设计实验，研究对象主要针对几何结构相对规则的平板类、L型、U型、C型、T型构件、V型薄壁件的变形研究，对具有空间曲面的复杂结构的构件的变形研究较少［7］，研究成果不具备普遍性，因此不能被很好的应用和推广。

针对这种现状，本文提出了一种新的固化变形规律获取方式，研究了变形修正的算法和切实可行的修正手段，并以曲面类零件-机翼作为研究对象，进行了试验验证，证明了该方法的实用性。

1　变形规律的获取

若要实现复材构件的变形修正，首先必须获取构件的变形数据，根据各处的变形量进行分析，研究减小变形的方法。现有的方法是在大量实验基础上，对固化工艺进行反复调整和对模具型面进行反复试凑或修正完成的，成本过高且生产效率低下；国内研究学者利用有限元分析软件［7，8］或人工神经网络方法［9，10］，实现了固化变形的预测，但对于普通用户来说，由于预测模型建立难度较大、模型中考虑的因素不够全面及样本数据收集困难等问题，限制了该方法的实用性。

本文采用在标准工装上预铺复材型面的方式获取实验数据，总结某一类零件的变形规律，用以指导该类复合材料构件的变形修正。

1.1标准工装设计

根据某一类复合材料构件的结构特点，设计了一套标准工装。根据结构及约束情况，将标准工装分为不同的区域，在铺制试验件时，根据零件特点选择标准工装上的合适区域制作，铺制方法和成型工艺应与复合材料构件完全相同，这样试验件的固化变形规律才能与实际生产的复材构件变形规律最为接近。对于同一类复材构件的制作，只要采用与试验件完全相同的成型工艺，修正时即可使用该试验件数据，无需重新铺制试验件。由于采用标准工装获取修正用试验件数据，避免了对产品成型模具的反复修正加工，大大降低了制造成本。

1.2变形参数确定

为实现数模修正的目标，从试验件中提取数据、确定变形参数时应从如下两个方面进行考虑：

1）根据变形参数能重构试验件型面；

2）变形参数能描述试验件上任意一点在固化变形前后的空间位置及变形量；

本文根据曲面类零件的特点及固化变形情况，最终确定将试验件曲面按一定规则切分为若干截面，并在截面线上取长度、半径、法矢和角度参数作为变形参数。

1）长度（L）：截面线上分段单元的长度；

2）半径（R）：截面线上某一位置的曲率半径；

3）法矢（T）：截面线上某一点的法矢方向；

4）角度（θ）：截面线上任意一点处的切线与基准线的夹角。

1.3变形规律总结

由于试验件的铺制与实际生产时复合材料构件的铺制采用完全相同的工艺过程和环境，因此，试验件数据包含了影响固化成型的各种因素综合作用的结果。通过对比分析试验件与标准工装相应区域的数据，可总结得到各参数的变化规律，表达如下：

式中，L'、R'、T'、θ'分别为试验件采样点处的长度、曲率半径、法矢量和角度值。L、R、T、θ为标准工装采样点处的长度、曲率半径、法矢量和角度值。

2　固化变形预测与模具型面修正

目前，有关减小固化变形措施的研究主要集中在两个方面，一是优化固化工艺［11～13］，二是调整模具形状以补偿固化变形［14，15］。通过优化固化工艺，可以在一定程度上减小固化变形，但效果并不十分理想，仍需结合模具型面的补偿方法，才能最终达到提高复合材料构件成型精度的目的。

本文在总结试验件变形规律的基础上，提出了一种新的变形预测与模具型面修正算法，即根据影响变形的各参数变化规律进行反变形计算，生成新的数模，以补偿变形所造成的误差。具体修正过程如下：

1）根据曲面形状特点，按相互垂直的两个方向分别做若干截面，将其划分为网格面，其中曲率变化较大的方向作为修正主方向。沿主方向上需划分较多的点数，以提高型面拟合精度。具体点数的多少采用两种方式确定，一是由设计人员根据型面特征自行输入点数；二是根据允许的拟合误差计算满足精度要求的最少点数。

2）对网格顶点按修正主方向进行修正计算，得到新的网格顶点。修正算法如式（2）所示 。

式中，V′为修正后的网格顶点，V为修正前网格顶点，k1～k4为各修正量的强度系数。当系数取值为1时，是按照变形规律的修正量1：1进行修正，当不为1时，按修正系数乘修正量进行修正。可根据实际情况单独调整或同时调整各项修正量的强度系数。

3）沿第二修正方向（与修正主方向垂直）修正计算，获得准确的边界数据。

此方向由于曲率变化较小，因此重点考察尺寸变化量，保证获得准确的型面边界尺寸。

4）根据修正计算后的顶点及边界重新构造曲面并进行光顺，生成新的模具型面，称之为“工艺数模”。当按工艺数模制作模具后，由于其中已经预留了复材制件的固化变形，因此，当零件脱模变形后，将获得理想的形状。

3　实例验证

为了验证算法的准确性，采用CATIA二次开发的方式，开发了复材修正模块，用于修正得到工艺数模。铺制了飞机机翼复材构件，经扫描逆向后得到铺制产品的实际型面数模，在CATIA软件中对比分析了零件数模与实际产品数模的形状误差，结果如图1所示。

不考虑边缘的红色噪声点，我们发现形状误差从中心向边缘逐渐变化，最大误差值为5.47mm。

在接下来的实验中，选取标准工装上的某区域铺制试验件，并获取试验件变形规律，按此变化规律和本文所述修正算法对产品数模进行反向修正，修正后的数模与零件数模对比分析结果如图2所示。

由结果可知，复材固化变形误差最大值已经降为0.338，得到了有效的控制，证明本文所述方法是行之有效的。

4　结论

1）根据某一类复合材料构件的结构特点，设计了一套标准工装，并采用在标准工装上铺制试片的方法，获取了复材构件固化变形规律。

2）提出了一种新的变形预测与模具型面修正算法，即根据试验件变形规律，对数模进行反变形计算，获取用于制作模具的工艺数模，并通过实例验证了该方法的可行性。

3）通过CATIA二次开发的方式，增加复材修正模块，可实现复材变形修正得到工艺数模，可使用户无需具备较强的专业知识，即可完成复材工装型面的设计，实用性较强。

图1　未修正产品与零件对比

图2　修正后产品与零件对比

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Study on deformation correcting technique of curved surface composite component

LIU Bao-ming1， XIANG Song2， XUE Ji-jia2， QU Chang-zheng2

TB332

A

1009-0134（2016）10-0074-03

2016-06-23

沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点实验室开放基金资助项目（SHSYS2015001）

刘宝明（1979 -），男，辽宁凌源人，工程师，硕士，研究方向为飞机数字化制造和复合材料成型工艺。