复合材料热压罐成形模具型面补偿设计方法研究

赵敏 黄红端

摘 要：复合材料在固化成形时经常会出现变形问题，对复合材料构件的精度、尺寸、外形产生了很大影响。基于此，本文认为应通过补偿模具型面，让材料变形量得到抵消。从热压罐成型工艺概况出发，对热压罐成型的模具型面补偿设计进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助与建议。

关键词：复合材料；模具型面；补偿设计

中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）24-0050-02

0 引言

进行热压罐成型的模具型面补偿设计的思路是使构件成形之后的形状尺寸符合设计要求，高温状态构件的理想形状应为构件由低温升至固化温度发生膨胀而产生的形状。固化周期模具热变形属于弹性变形，也就是材料经过固化脱模会恢复到原有的模具型面形状，设计模具型面的基础是对固化点温度下模具型面几何形状的精准预测。通过对补偿以后的数值进行模拟，发现使用模具型面的热补偿方法进行模具型面的设计可以使复合材料在制件成形时受到的复合材料、模具两者的力学、热学性能不一致与固化过程中的固件变形问题得到补偿。

1 热压罐成型工艺概况

通过热压罐成型工艺，能够对复合材料的真空度、压力、温度等多个工艺参数进行在线实时控制并做到时序化，因此该工艺在新能源、交通、兵器、电子、航天航空等复合材料构件领域得到了广泛应用。但热压罐成型工艺在使用过程中经常遇到一些问题。金属成型模具与复合材料构件相比线膨胀系数会比较大，而且树脂基體固化前，构件由于热压罐的压力作用和模具贴的很紧，和模具较近的纤维需要承受拉应力，这时复合材料构件的剪切模量比较低，构件的厚度方向应力没有较好的传递能力使其厚度方向会有应力梯度出现。伴随固化工艺不断进行，树脂完完全全的固化，构件中残留了顺着厚度方向没有均匀分布的应力，构件完成固化以后释放残余应力从而导致变形。与此同时，模具结构形式与导热性能会对复合材料构件中分布的固化温度场造成影响，从而对构建中最终残余应力的分布与大小造成影响。

为了使热压罐成型工艺中复合材料成形时变形的问题得到解决，当前使用最多的解决方法就是通过模具型面对成形受到的构件变形量进行补偿性位移修正。补偿性位移修正的方法通常是以实验为基础，结合以往经验进行累积尝试，反复多次调整模具型面并进行补偿性的修正加工，使模具变形得以抵消[1]。不过该方法比较耗费材料与时间，还会使复合材料的构建成本增加。本文认为，应进行模具型面的补偿设计，通过计算机的数值模拟，结合有限元的理论，对模具引起的构件变形与构件本身热变形进行分离，然后通过修正模具型面来补偿两部分的变形量，使得模具结构的优化技术与固化工艺的缺陷得到弥补，使得构件最终的精度、尺寸、外形等能够符合要求。

2 热压罐成型的模具型面补偿设计

2.1 补偿设计的基本原理

当树脂基复合材料处于固化过程的时候，材料固化到玻璃态的温度时会有相对稳定的力学与物理性能，可以认定降温固化阶段的材料变形是因为成型模具、材料两者间热物理性能与材料本身热变形不一致引起了线弹性变形[2]。与此同时，热压罐成型的工艺中，罐内只有很小的温度梯度，并且温度场均匀分布，很多复合材料在制件时成型的温度都低于二百摄氏度，可以认定模具与降温固化阶段热收缩量属于温度的一个线性函数，并和材料热物理性能存在一定关系。由此可见，为了让构件成形以后可以符合设计形状的需要，玻璃态的转化温度条件下构件理想形状应为从低温提高到玻璃化的温度点经过热膨胀产生的形状。

当复合材料处在固化的初期阶段时，复合材料的铺层是黏流性的状态并紧紧贴在模具的表面，型面的形状和模具的型面一样，在处于固化点的时候，材料的粘弹性非常高，这时由于罐内的压力作用与材料应力松弛的效应使其型面的形状依旧和模具的型面一样。将P设为材料最开始型面的形状，将D设置为模具的型面，当材料处于固化点温度的时候，将P1设置为其型面的形状，D1设置为模具的型面，那么P=D且P1=D1。当处于固化点时，材料由于收缩、松弛等一系列原因使得在转化成玻璃态的过程会出现变形现象。如果材料在固化时玻璃态的转化温度和固化点的温度相等，那么从理论上讲玻璃态的模具型面形状与固化点时模具型面形状相等[3]。

根据上述分析不难看出，在复合材料进行制件时，固化时模具和制件几何型面建立了紧密的玻璃态转化点、固化点联系，如果可以了解材料固化点时理想的设计型面形状，那么就可以了解到玻璃态转化点时模具型面是何种形状，然后把玻璃态的模具降到室温便能够获得室温下模具形状。在本文中，对模具型面进行补偿设计的总体思路是进行材料有相等的玻璃态转换温度与固化点温度的假设，这样的话模具型面在理论上玻璃态温度的转换点与固化点具有相同的几何形状。具体设计的过程主要是将升温固化到理想固化点形状的制件设计模型当成高温下模具型面最开始形状的设计模型，把模具最开始的高温模型在热压罐的固化降温条件下降低到室内的温度来获得常温下模具最开始的型面模型，将这时模具型面当作初始模具固化与复合材料构件的型面形状，对升温固化过程中的构件进行分析，把固化点时构件几何形状和高温理想构件形状进行比较，从而对理想高温的模具型面形状进行确定。

将高温状态下复合材料构件理想的型面当成设计模具型面的根据主要是为了使模具发生热膨胀变形引起的构件变形与固化降温时构件的热弹力变形得到补偿。与此同时，该设计方式能够使高温状态的制作型面与模具型面的一致性得到保证。

2.2 补偿设计

2.2.1 补偿设计的过程

在本文中，补偿设计的实际操作过程如下：第一，使用ansys有限元分析软件把复合材料构件由室温顺着升温固化方向加载到玻璃态的转化温度，获得玻璃态下理想的构件型面几何形状。第二，由于固化的初始阶段材料会与模具紧贴，使得模具型面的几何形状和材料形状相同[3]，故将获得的理想构件高温型面当作基础，对高温下模具型面的模型进行构建。第三，把高温下的模具型面模型顺着降温固化方向下降到室温，获得模具型面常温下的模型。

2.2.2 确定模具型面的形状

在本文中，使用ansys有限元分析的软件对设计的复合材料构件进行降温固化阶段的反向加载，获得玻璃态下构件型面的理想几何模型。此模型即为高温状态下模具的原始模型。以某无人机机身上板件模具设计为例，使用构件的原始数据反向加载出高温状态下的几何形状，等效做为高温时模具的几何模型：如图1所示。

2.2.3 补偿设计模具型面

获得复合材料构件的高温模型后，使用UG软件提取出几何模型，用于对模具高温时的型面与相应等效模具模型进行构造。在ansys有限元分析的软件中，把高温等效的模具模型顺着降温固化方向降低到室温，获得模具在室温时离散的等效模型。见图2。

复合材料在固化时出现的化学收缩应变主要由状态转变时材料物理性能決定，无法借助模具型面来补偿，因此在本文中数值模拟过程在升温固化的阶段未对化学收缩造成的应变、应力进行考虑，只对材料在固化时热膨胀系数与固化反应的放热变化影响应力、变形的情况进行考虑[4]。升温固化时应选取合理的加载周期，使固化周期中整体的热压罐压力、温度均匀分布。

2.2.4 分析模拟的结果

在固化时复合材料主要受到的约束为模具支撑约束与热压罐对材料表面施加的气压约束，复合材料固化的过程是从粘流态经过橡胶态转化成玻璃态，这一过程中，材料受到应力松弛作用能够快速将升温固化阶段的应力释放掉。为使固化模拟过程中材料径向约束带来的材料应力无法释放而引起的材料中间变形隆起进行消除，本文进行模拟时将橡胶层设置于模具与材料的边缘部分，使材料受到的模具径向约束得以平衡，模具与材料其他的部分设置成接触约束，让模拟的过程和具体状况更加接近。从补偿模具型面温度的结果可以看出，通过补偿模具型面温度可以使固化周期中材料热弹性的变形量得到补偿。

3 结语

总而言之，运用热压罐成型工艺对复合材料的模具型面进行补偿设计具有十分重要的意义。在本文中使用的模具型面补偿法主要以构件弹性的变形机理为基础，在补偿时对升温固化阶段模具的热变形与降温固化阶段构件的热弹性变形进行了综合考虑，属于物理补偿法。通过模拟设计模具型面之后的数值可以发现，使用模具型面的热补偿设计法可以对复合材料在制件成形时的变形问题得到有效解决。

参考文献

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