复合材料构件成型模具型板改进设计

肖东成

摘要：近50年来，先进复合材料因其高强度、耐高温、抗疲劳等优点，在航空航天、机械工程、医疗、交通等行业得到了日益广泛的应用与发展。尤其是航空制造业，复合材料在飞机中的应用比例逐年提升，成为航空工业中主要发展和研究的对象。

關键词：复合材料;构件成型模具;型板改进设计

引言

随着人类科技的快速发展，航空航天、武器装备等高精尖领域越来越受到人们的重视，寻找一种轻质、高模量、高强度的材料已经成为许多科研工作者的研究方向。纤维增强树脂基复合材料能够结合单个组份材料的特性来提高其性能或扩展其功能。与传统材料相比，它们具有强度高、质量小、耐高温、耐腐蚀等优点。纤维增强树脂基复合材料根据树脂基体的不同，主要分为热塑性树脂基复合材料和热固性树脂基复合材料。

1当前飞机先进复合材料结构装配协调技术现状

飞机先进复合材料基于本身属性的不同，受影响的因素也不相同，由于复合材料树脂固化收缩、模具热膨胀系数等因素不同，直接影响复合材料制造后的尺寸精度。如果飞机复合材料部件位置不匹配，将严重影响后续的处理。采取强制的处理方法，金属部件会产生变形的现象，增加了额外的应力，加之复合材料众多的不确定因素，加剧了结构装配协调问题。复合材料的高刚度难以将其制压到合适位置上，对于不符合标准的构件，一般采用加垫补偿的方式进行适当的配合，这增加了经费成本，因此必须提高结构装配协调技术的创新性，减少各项因素影响而产生的误差。

2复合材料构件成型模具型板改进设计策略

2.1数值模拟分析

复合材料构件热压罐成型是一个多场耦合的复杂过程。对复合材料传热情况分析如下。

1）罐内空气与固体区域（模具和构件）之间通过气体流动以对流换热的方式传递热量。

2）由于脱模剂传导率低且厚度比较薄，因此可忽略其对传热的影响。本文仿真时假设成型模具与构件在固化中受压力作用，模具型板上表面与构件下表面紧密贴合，两者之间进行热传导。此外模具本身存在热传导。

3）复合材料构件内部树脂基固化放热，同时存在自身热传递。

在以上传热规律的基础上，对热压罐固化过程中成型模具温度场进行模拟仿真。

2.2非等厚型板模具温度场模拟

2.2.1梯形非等厚度型板

设计4组梯形非等厚型板，从迎风端口处开始，分别至距迎风端400mm、450mm、500mm和600mm处。原框架式成型模具型板厚度为15mm，此处对型板进行变厚度处理，将高温区域厚度调整为20mm，其他区域降至10mm。以上4种梯形型板在不同程度上对于型板表面温度均匀性均有所改善。其中距离迎风端500mm时，最大温差为29.81K，相较原始型板降低了40.51%，最大温度方差43.8K2，降低了73.65%。如图5所示，所有型板表面在过渡区均出现温度起伏区域，其中400mm和600mm在厚度过渡区域更为明显，因此可通过对距离迎风端30%～33.3%处进行加厚处理。在厚度从20mm～10mm突变区域，型板表面出现最大温度起伏，其中最大温度起伏区域多出现于厚度突变交界处。随着距迎风端距离增大，突变区域距离迎风端越远，温度起伏区域也随之后移，且区域长度及温度差随之增大。

2.2.2阶梯形非等厚度型板

由上节可知，梯形型板虽然在一定程度上有效地提高了型板表面温度均匀性，但在厚度突变区域都出现了明显的温度起伏区域。在此基础上，设计一种阶梯形型板，在高温区域将厚度采用逐渐递减的方式，将厚度从20mm递减至10mm并保持。同时，根据上节所产生的突变处温度起伏，将距迎风端距离增大，采用阶梯形变化趋势，取消厚度突变区域，使得高温区域后面区域更接近于原厚度，从而缓解突变改善均匀性。较于梯形型板，阶梯形型板表面云图未出现明显的起伏现象。阶梯形型板对于温度均匀性改善起到了一定作用，其中当距离迎风端900mm时，最大温差与温度方差都达到了最小值，即温度均匀性达到最佳状态。此时最大温差为32.78K，相较于原始温差降低了34.56%，温度方差为32.26K2，下降了70.25%。

2.3连续变厚度型板

前两种变厚度方式均为对固定区域进行厚度变厚处理，本节中提出一种从迎风端开始处幂函数连续变厚度方式。本文采用s∝xn厚度变化函数，其中s为型板厚度，x为距迎风端距离，其中n取0.5～1。当n为0.8时，最大温差及温度方差达到最小，即型板表面温度均匀性最好，此时温度方差为25.98K2。而随着n的增大或减小，温度方差也随之增大或减小。周光炯等研究表明，温度边界层与速度边界层成正比相关，且δt∝x0.8。当n为0.8时，即s∝x0.8时，型板厚度变化规律与温度边界层厚度变化规律同步，因此型板表面温度均匀性达到最佳。

结语

本文利用FLUENT进行热压罐固化过程中温度场模拟。研究发现型板表面低温区域出现在距迎风端115mm处，约占面积25%。为有效提高型板表面温度均匀性，本文提出一种对型板不同区域变厚度方法，分别对型板低温区域减厚和高温区域加厚。主要包括3种厚度方法：梯形、阶梯形、连续变厚度，通过有限元仿真对改善后型板分别进行模拟型板表面温度分布均匀性，分析得到以下结果：1）梯形型板在突然变厚度区域存在明显的温度起伏现象，其中400mm与600mm尤为明显，因此可通过对距离迎风端30%～33.3%处进行加厚处理。2）阶梯形型板未出现明显温度起伏现象，当距离迎风端900mm区域加厚时，温度均匀性达到最佳状态，温度方差降低近70.25%。3）连续变厚度型板采用s∝x0.8函数关系时，型板厚度变化规律与温度边界层厚度规律一致，此时温度均匀性最佳，结果表明此时温度方差降低了84.37%。

参考文献：

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[2]赵一鸣.复合材料构件热压罐成型模具温度场模拟与结构改进研究[D].南京：南京航空航天大学，2018.

[3]吴思保，礼嵩明，鹿海军.芳纶纤维/碳纤维复层结构复合材料变形研究[J].玻璃钢/复合材料，2019（6）：90-94.

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