复合材料模压成型设备机身结构力学分析与优化

2023-12-26李奋强洪剑彬葛晓宏

机械设计与制造 2023年12期

李奋强，洪剑彬，李辉，葛晓宏

（材料科学与工程学院，厦门理工学院，福建厦门 361024）

1 引言

复合材料是指两个或者两个以上的物理相，包括粘接材料（基体）和粒料，纤维或片状材料所组成的一种固体产物。它具有轻质高强、耐疲劳性好，减振性好、破损安全性好、耐腐蚀、电性能好等优点，广泛应用于交通运输工业、建筑工业、能源工业，在电子通信产品、生物复合材料、医疗设备、体育用品、娱乐设施，食品工业和国防工业也有一些新的应用［1］。

树脂基复合材料的熔体成型方法主要有板材成型、注射成型、模压成型、层压成型与缠绕成型［2］。模压成型是将一定量粉状，粒状或纤维状的材料放入到成型温度下模具的型腔中，然后闭模加压在一定的温度下使材料在模腔内受热软化，在压力的作用下产生流动并充满型腔最后逐渐固化，来得到特定形状的复合材料制品的一种工艺方法［3］。

影响模压成型制件质量最重要的参数是温度、压力和保压时间［4］。其中，压力可以增强复合在型腔中的流动性，使产品密度变高，增加材料的力学性能同时避免制件中的一些缺陷。模压机是模压成型设备的主体，模压机主要负责向模具提供压力，使模具型腔内部的材料在压力与高温的共同作用下结合在一起。模压机由机身、传动机构和控制系统构成，机身主要由上下模板和导柱组成。机身在设计的时候要考虑自身的配合精度以减少径向的压力损失，螺丝要锁紧，机身结构应具有合理的强度以承受更大的模压力，在模压过程中总的形变尽可能小，导柱与模板发生的弯曲变形要尽力避免［1，5］。

综上，模压成型设备的精度对模压产品的质量有很大的影响。针对某款复合材料模压成型设备生产中出现复合材料产品带有银纹缺陷等问题，在排除工艺问题后从模压成型设备方面入手，采用ABAQUS 有限元软件对复合材料模压成型设备的机身结构强度进行分析，然后提出了四种优化方案并进行比较分析，以期能够通过改进设备来解决产品模压过程中出现的缺陷。

2 模型分析与简化

根据设备的工作情况，如图1（a）所示。工作时设备下方的油缸通过油缸轴给联结板施加载荷（100T），迫使下线板通过下垫块使下模具在4 根导柱的导向下向上运动；当下模具接触上垫块时，带动上线板向上运动，上基板静止不动，迫使上模具合模。然后在油缸载荷作用下，下模具与上模具同时进行模压成型。

图1 模压设备机身结构图Fig.1 Structure of Molded Equipment Body

有限元分析时，省略了方便下模具跟上模具的安装而布置的滚轮，导向轮，定位块等机构，简化后的几何模型，如图1（b）所示。下线板跟上线板在4根导柱的导向下垂直向上运动，而且油压机工作时比较平稳，没有冲击载荷，宜采用静力学分析。

3 有限元建模

将简化后三维实体模型导进ABAQUS 软件，采用C3D8R 三维实体减缩积分单元对其进行网格划分，如图1（c）所示。施加的约束为：6个上垫块、6个下垫块和两个模具，施加X，Y方向的运动约束；中间2个线板与导柱的4个孔接触，限制X，Y方向的运动；假设上下基板与导柱通过螺纹紧密连接不发生松动，设置上下基板与导柱Tie连接。在油缸轴连接板的下表面施加1000/598/598=2.7964N/mm2均布压力。在下基板油缸锁紧的圆环位置施加1000/π/（215*215-175*175）=20.407N/mm2均布压力。零件之间都设置摩擦接触，摩擦系数为0.3。下基板的4个脚施加静止约束。设备机身材料为45#钢，力学性能参数，如表1所示。

表1 材料力学性能参数Tab.1 Mechanical Property Parameters of Material

4 实验

采用如图1（a）所示的模压设备进行树脂基复合材料模压成型加工，同时利用千分表测试上下基板、线板边缘不同位置的位移量，采样频率为0.1Hz，测试原理图，如图2所示。

图2 实验测试原理图Fig.2 Experimental Test Schematic

5 结果分析

5.1 验证分析

上下基板不同位置模压过程中变形位移曲线，如图3所示。6个位置点，如图1（a）所示。其中位移正负所代表的变形方向已在图1（a）标出。实际量测中在上基板与导柱连接位置，即1跟3的位置，发生的位移分别为-0.23 和-0.24，负号表示向上位移。整个设备机身的位移云图，如图4所示。为了方便看出变形后的构型对其进行放大100倍。由图中可以看出，在位置1和3处数值模拟预测的位移为0.27mm，方向向上。与实际测量数据相比，相对误差为|0.27-0.24|/0.24=12.5%。由变形云图可以得出，变形位移最大的位置在上基板的中心，最大位移为0.884mm。

图3 上下基板不同位置模压过程中位移曲线Fig.3 Displacement of Different Positions of Upper and Lower Substrates During Molding Process

图4 机身整体位移分布云图Fig.4 Displacement Distribution of Equipment

5.2 仿真结果分析

不同板的变形位移分布云图，如图5所示。图5（a）为上基板的位移分布云图，可以看出位移分布呈四边小，中间大的分布特点。最大位移量为0.884mm，位于中心位置；最小位移量为0.1174mm，位于四个角落边缘。图5（b）为上线板的位移分布云图，位移分布同样呈四边小，中间大的分布特点。最大位移量为0.7902mm，位于中心位置；最小位移量为0.7533mm，位于4个角落。图5（c）为下线板的位移分布云图，位移分布呈y轴方向由中心向两边缘递减。最大位移量为0.8035mm，位于两个垫块之间；最小位移量为0.0096mm，位于板的两边缘。图5（d）为下基板的位移分布云图，位移呈中间小，边缘大的特点。最大位移为0.2384mm，位于与4根导柱连接处附近；最小位移为-0.9869mm，位于锁紧油缸的圆环上。

图5 不同板的位移分布云图Fig.5 Displacement Distribution of Different Plates

不同板的中心沿着Y轴方向的位移曲线图，如图6所示。Y轴方向即长边方向见图1（b）。在X轴上的分布具有与Y轴同样的分布规律，本研究主要针对Y轴方向的位移分布规律进行分析。可以看出，除了上线板外，其余3个板的位移分布呈非均匀分布状态。3个板均呈中间大，两边小的分布状态。而上线板的位移分布比较均匀，基本上只发生刚性移动，因此该板对整体机身刚度影响不大。

图6 不同板中心不同位置的位移分布图（y轴方向）Fig.6 Displacement Distribution at the Central Axis of Different Plates（Y-Axis Direction）

不同板的等效应力分布云图，如图7 所示。从图7（b）、图7（c）可以看出两个线板的等效应力比较小，尤其是上线板等效应力很小，整个模压过程中几乎不发生变形。而上下基本的等效应力较大，尤其是下基板。模具是通过下线板与上基本的作用力而合模成型，因此上基板对模具合模与保压有直接关系。

图7 不同板的等效应力分布云图Fig.7 Equivalent Stress Distribution of Different Plates

6 优化设计

6.1 优化方案

根据上述分析结果提出了四种优化方案，如图8所示。第一种是增加上基板厚度，使上基板的厚度从28mm增加到56mm，筋条宽度和筋条数目保持不变。这种方法可以较好的提高顶板的刚性，但会加大设备整体的重量。第二种是改变筋条的数量与排列方式，上基板厚度与筋条的宽度不变。此方法同样可以改善上基板的刚度，而所增加的重量没有第一种方案那么大。第三种方案同样是改变筋条的数量与排列方式，但是筋条的排布方式与第二种不一样，同时筋条的数目也有所减少。最后一种就是改变筋条的宽度，其他条件不变。

图8 上基板四种不同改进方案Fig.8 Four Different Improvement Schemes for the Upper Base Plate

6.2 不同方案下各板位移对比

下基板中心沿着X轴与Y轴方向的位移曲线在四种不同方案下基本都重合在一起，其中Y方向有轻微偏差，但最大值与最小值均一致，说明不同方案对下基板的位移基本没有影响。这是因为下基板是受到向下的压力作用，仅通过四根导柱与其他部件有所关联，没有其他联系，所以更改上基板结构对下基板的变形影响不大。

下线板中心沿着Y轴方向的位移在不同方案下的对比图，如图9所示。

图9 不同方案下线板中心轴的位移曲线图（y轴方向）Fig.9 Displacement Curves of the Central Axis of Lower Line Plate Under Different Schemes（Y-Axis Direction）

其中空心圆曲线、圆形曲线、正方形曲线、菱形曲线、三角形曲线分别代表原设备、第一、二、三、四种改进方案下线板的位移。从曲线图可以直观看出来，所有改进方案都使下线板的位移减少了，第一种改进方案的效果最好，第二种次之，第四种方案第三，第三种改进方案的改进效果最差。

上基板的中心沿着Y轴方向在不同方案下位移对比图，如图10所示。其中空心圆曲线、圆形曲线、正方形曲线、菱形曲线、三角形曲线分别代表原设备、第一种改进方案上基板的位移。从曲线图可以看出来，所有改进方案也都使上基板的位移减少了，第一种改进方案的效果最好，第二种与第四种方案差不多，但第二种方案稍好，第三种改进方案的改进效果最差。且后两种在导柱连接处位移比原设备大。