复合材料热压罐成型模具变形补偿方法研究.pdf
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1、 工艺装备 年第 期高科技纤维与应用复合材料热压罐成型模具变形补偿方法研究张正礼(上海飞机设计研究院 上海)摘 要:针对复合材料构件在热压罐工艺成型后产生型面偏差较大的问题 结合复合材料构件成型模具设计特点和热应力分析理论 使用有限元分析方法分析在复合材料构件成型过程中模具型面的变形情况 根据获取的变形情况与复合材料构件设计型面进行比较获得模具变形补偿量 通过多次迭代最终获取满足复合材料构件型面公差要求的模具补偿量 最后通过具体的实例分析验证了方法的可行性 研究表明:本文所获取的复合材料构件成型模具变形补偿方法可以用于指导模具设计 避免通过多次试制来修配模具 可节省大量试验件制造成本关键词:复
2、合材料 热压罐 有限元 模具中图分类号:文献标识码:文章编号:()作者简介:张正礼()高级工程师 主要从事民用飞机结构设计与强度分析 电子邮箱:():工艺装备 高科技纤维与应用 年第 期 引言复合材料科学与工程技术经过半个世纪的积累和发展 凭借其优异的综合性能在提高各类结构效率方面发挥了举足轻重的作用 尤其是碳纤维增强复合材料具有高比强度、高比模量及稳定性好等优点 已被广泛应用于航空航天领域 复合材料构件的制造工艺有很多种 如手糊铺设成型、袋压成型、模压成型、热压罐成型、注射模塑成型、缠绕成型和拉挤成型 对于大尺寸、外形复杂的航空航天纤维增强复合材料构件 如飞机的蒙皮、梁、肋和框等 主要采用热
3、压罐工艺制造 而这些外形复杂的构件由于外形精度要求比较高 对于模具的设计技术要求也很高 尤其是对于诸如蒙皮、壁板等薄壁结构 起模后通常会发生反弹 导致成品外形超差严重为解决以上问题 利用数值分析方法研究复合材料热压罐成型过程中构件变形情况 以此来研究模具变形补偿方法 这为复合材料模具设计提供可行方法 以避免通过大量试制来调整模具设计 从而可降低成本 提高生产效率 热压罐成型工艺 成型工序使用热压罐成型工艺制造复合材料构件包括如下工序:()准备过程:工具和材料准备()材料铺贴:裁切、铺层和压实()固化准备:磨具清洗、坯件装袋以及在某些情况下坯件的转移等()固化:坯件流动压实和化学固化反应过程()
4、检测:目测、超声等无损检测()修整:切除多余部分 制成成品 不合格分析其中固化过程是主要工艺过程 通过热压罐对成型模具和构件坯件进行加压加热 通过一段时间保持使坯件完成固化 形成构件 但是在实践中会发现复合材料构件制成后会产生翘曲变形主要原因如下:()由于金属成型模具与复合材料之间的材料热膨胀系数不一致 在热压罐内成型过程中对构件进行加压加热后 就会在模具和复合材料之间产生剪切应力 模具承受压应力而构件承受拉应力 从而在构件内部形成残余应力 构件脱模后残余应力释放之后会造成构件变形()由于热量传递不同步 导致模具型面和模具底部存在一定的温度差 同时由于框架式模具刚度较小 在高温和高压环境下会产
5、生变形这将导致构件制成后产生与预期设计的变形偏差 复合材料构件模具设计复合材料构件模具的型面是根据构件设计模型来确定的 最终制成件的外形轮廓与模具型面直接相关 传统的模具设计方法是依据构件的设计模型 通过提出构件的轮廓面作为模具的型面依据提出的型面完成模具设计 这种设计方法忽略了模具在高温下会发生膨胀变形 导致构件成型后外形轮廓偏差较大 在实践中 通常通过大量的试制分析出构件变形的规律 然后再根据分析数据对模具进行修整 这样必然增加制造成本而且效率也较低采用试制法修配模具的方法其实就是通过调整模具型面提供一个补偿 使制件残余应力释放后刚好达到设计要求 而补偿量大小需要开展精确分析 可以利用数值
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