1、西安航空职业学院毕业论文模拟仿真技术在复合材料制造工艺中的应用姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：随着复合材料和计算机技术的发展，数值模拟技术在复合材料工艺仿真中的应用也日益明显。本文总结分析了数值模拟技术在复合材料制造工艺中的研究进展，包括热压罐内流场仿真、固化变形预测，以及液体成型仿真技术的应用前景。随着大数据和复合材料自动化、智能化的发展，发展数值模拟技术是大势所趋。关键词：数值模拟, 复合材料, 制造工艺, 热分布，固化变形, 液体成型0 引言纤维增强树脂基复合材料以其高比强度、高比模量以及高耐腐蚀性等优点，成为民用飞机重要的结构和功能材料。热压罐成型
2、工艺和液体成型工艺方法是制备高性能复合材料的主要方法，因具有成型构件质量高、工艺稳定可靠、适用范围广、模具相对比较简单等特点，已在航空航天领域广泛应用。随着计算机技术的突飞猛进，制造过程的数值模拟仿真技术也蓬勃发展。数值模拟能够对复合材料制造工艺过程和最终零件外形质量进行预测分析，大幅减少试验次数，降低研发成本、缩短研发周期，采用仿真手段能够大幅减少材料和能源消耗，实现复合材料的绿色制造。国内外对复合材料成型过程的数值模拟技术进行了一些研究，取得了良好的进展，能够对一些结构进行工艺仿真和优化，提高产品质量和工艺稳定性。近年来，随着复合材料智能化制造、大数据制造技术的发展，采用计算机仿真技术更是
3、大势所趋。1 复合材料制造工艺1.1 热压罐工艺复合材料热压罐成型工艺方法是迄今为止在航空复合材料结构制造过程中应用最为广泛的方法之一。它是利用热压罐内部的高温压缩气体产生压力对复合材料坯件进行加热、加压以完成固化成型的方法。热压罐成型工艺具有产品重复性号、纤维体积含量高、孔隙率或无空隙、力学性能可靠等优点。目前，热压罐都采用先进的加热控温系统和计算机控制系统，能够有效地保证在罐内工作区域的温度分布均匀，保证复合材料制件的内部质量和批次的稳定性，如准确的树脂含量、低或无孔隙率和无内部其他缺陷。热压罐主要是由罐门和罐体、加热系统、风机系统、冷却系统、压力系统、真空系统、控制系统、安全系统以及其他
4、机械辅助设施等部分构成。在复合材料制品的固化工序中，根据工艺技术的要求，完成对制品的真空、加热、加压。达到使得制品固化的目的。1.2 液体成型技术液体成型技术是将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法，适用于多品种、中批量、高质量先进复合材料成型。这种先进工艺有着诸多优点，可使用多种纤维增强材料和树脂体系，有极好的制品表面。适用于制造高质量、复杂形状的制品，且纤维含量高、成型过程中挥发成分少、对环境污染小、生产自动化适应性强、投资少、生产效率高。因此液体成型工艺在汽车工业、航空航天、国防工业、机械设备、电子产品上得到了广泛的应用。RTM 是在闭合模腔中预先铺覆好增强材料，然后将热
5、固性树脂注入到模腔内，侵润其中的增强材料，树脂在室温或升温条件下固化脱模，必要时再对脱模后的制品进行表面抛光、打磨等后处理，得到表面光滑制品的一种高技术复合材料液体模塑成型技术。2 ESI 工艺仿真解决方案2.1 热压罐热分布仿真研究热压罐是加工复合材料的重要工具，采用气流传递热量、合理流场分布是保证零件固化质量的前提。对于尺寸较大的零件，如果气流分布不佳，会导致工装和零件上存在较大温差，造成零件固化历程不同步，影响零件的最终质量。如果采用试验研究，对于同一零件往往需要进行多次试验，分析热分布规律，这对于大尺寸复杂零件来说成本过高。不同型号热压罐、不同摆放位置和不同工装设计都会对温度分布造成影
6、响，并且试验方法只能对已经完成制造的工装热分布采取拯救式改善，而无法在设计之初就对工装结构提出优化方案。数值模拟方法能够完美解决这一问题，随着计算流体力学的发展，罐内温度场的仿真模型不断完善。热压罐工艺中，主要涉及罐内空气和模具、复合材料以及辅助材料之间的热交换过程，涉及到流动传热和流固耦合，一般使用流体力学的准则进行求解，包括连续性方程（质量守恒方程） 、动量方程和能量守恒方程。热压罐是大型压力容器，根据其用途长度从几米到几十米，直径从一米左右到接近十米，是一个巨大的空间结构。复合材料根据不同结构特征，其长度也可达十几米甚至几十米，但是其厚度仅有十几毫米，辅助材料的厚度则更小。如果采用均一化
7、的网格剖分方法，粗化的网格虽然计算量较小，但是其结果精度难以保证；细化的网格可以提高仿真的精度，但也会导致计算量成级数增加。为了兼顾精度和计算效率，一般采用网格加密技术，对复合材料及工装进行网格细化，而对于罐内空间则使用较粗的网格。通过模拟可以得到模具表面和零件表面的温度场分布。对于尺寸较大的零件，模具型面上存在较大温差，同时也可以从模拟结果中得到零件上的温度领先和滞后区域位置，根据这一结果可以对领先和滞后热电偶的布置进行优化。根据模拟得到的结果虽然不能完全替代热分布试验，但是可以大幅减少试验次数，对试验进行优化设计。在 ESI 系列软件中，可以使用 ACE+进行流场分析。ACE+是 ESI
8、公司旗下的计算流体力学软件。可以对热压罐内部的热分布进行建模分析。热分布仿真提供的温度场为后续的固化变形仿真提供了输入条件。2.2 固化变形仿真技术纤维增强复合材料的固化成型过程中可能会发生固化变形，这主要是由于材料物理属性的各向异性和铺层结构的不对称性造成的。首先，纤维和基体的热膨胀系数不同，导致复合材料在两个方向上的热膨胀特性呈正交各向异性分布。其次，固化过程中基体材料会发生化学收缩，而在纤维方向上，由于纤维的约束作用化学收缩不明显，导致材料化学收缩的各向异性，二者共同作用可能对结构产生额外的弯矩，导致结构发生变形。造成固化变形的因素有很多，包括零件选用的材料、铺层分布、尺寸、厚度、R 角
9、等结构特征，还有模具材料、模具结构以及与零件之间的作用方式等。随着对固化变形机理认识的不断深入，发现模具对固化变形有着非常重要的影响，模具与复合材料热膨胀系数不匹配会增加复合材料结构厚度方向的应力梯度从而引起变形，并且模具在使用过程中的变形也对零件变形造成影响。由于零件的外形、结构和铺层在设计时根据用途和强度需求已经给定，在此基础上进行修改比较困难，因此一般的做法是对模具进行优化设计，采用反变形的方式对模具设计进行补偿，从而得到期望的零件。复合材料靠模具赋形，模具设计至关重要，对于简单的零件可以靠经验补偿，根据试模件的变形量进行修模，但是对于尺寸较大、结构复杂的零件，经验难以给出合适的模具回弹
10、补偿量，一般采用数值模拟方法对零件和模具进行固化变形仿真，分析零件变形的趋势和大小，给出基本的模具回弹补偿值，然后对补偿后的零件固化变形进行预测，逐次迭代，最终得到最佳的模具设计方案。在 ESI 系列软件中，可以使用 PAM-Composites 的有关模块来进行固化变形分析。在PAM-DISTORTION 中，在温度场和压力的作用下，复合材料模型经历从固化再到变形的过程。完成固化变形后，提取出相对应的位移数据和应力应变数据，可以为后续的强度分析和装配分析提供输入数据。2.3 液体成型仿真技术2.3.1 模型结构变截面工型肋长 601.5mm，腹板高度 156.9mm-24.3mm，腹板厚约
11、4mm，上下缘条宽52mm，厚约 3mm。设计为碳纤维层板结构。零件外形如图 1 所示。图 1 变截面工型肋Fig.1 Drawing of “I” section rib在进行工艺模拟与零件成型之前，需积累树脂及纤维的基础工艺参数，因此要对工艺所选取的树脂和纤维进行工艺特性分析，包括对纤维预成型体的铺层进行渗透特性分析和树脂体系的固化流变特性分析，以确定树脂的固化特性、树脂与纤维的浸润、匹配与黏附性。纤维预成型体的渗透率是构件成型过程中控制渗透方式和进行树脂流动模拟的关键参数，因此，在进行模拟和成型之前，要针对构件所有的铺层形式进行渗透率测试。分别采用流变仪和渗透率测试工装对零件预成型体和树
12、脂进行了注射粘度和铺层渗透率测试。测试结果如表 1 所示。表 1 材料性能测试结果Table 2 Properties of experimental materials测试项目 测试结果注射粘度 250cps零件腹板渗透率 3.910-11m2零件缘条渗透率 5.910-11m22.3.2 零件注射模拟RTM 工艺平板模拟与验证，主要是通过 PAM-RTM 软件根据实际的实验几何模型建立计算网格模型，设定工艺参数，计算结果，然后通过实验的手段，在同等工艺条件下研究模型在实际工艺条件下模拟结果的可信程度，即与实际结果的吻合度是否在可接受的范围之内。利用 VISUAL MESH 软件对变截面工型
13、肋进行网格建模，采用四角网格处理，得到的网格模型如图 2 所示，并在 PAM-RTM 软件中将其切分成三角网格，模型中包含有 1339个四角网格及 1399 个结点，整个模型表面积 0.1244m2。图 2 变截面工型肋的网格模型建立Fig.2 Mesh model of “I” section rib分析工型肋的结构特点可看到，工型肋为一个细长型，无明显异型附加结构的薄层制件，因此，基本可确定 RTM 成型时树脂应沿长度方向流动，树脂注射口和溢料口应分布在工型肋的长度两端，位置可设计；可采用点注射和线注射；注射时，考虑到树脂本身重力对流动浸润效果的影响，工型肋的摆放位置可设计为竖放。图 3
14、竖放位置示意图Fig.3 Schematic of positioned of “I” section rib2.3.3 竖放恒压端部点注射模拟采用恒压端部点注射时的注射口位置如图 4 所示，注射压力为 0.5MPa。图 4 工型肋的恒压端部点注射模拟Fig.4 Point and root injection simulation of “I” section rib with constant pressure condition由模拟结果可看到，注射出胶时间为 1513s，树脂流动基本可呈现均匀向前扩散，其中，溢料口附近由于纤维毛细吸附作用，在树脂的持续流动冲刷下，可能完成对纤维的浸润，
15、但在注射口附近位置，由于没有持续的树脂流动，很难对这个位置进行树脂补偿，因此可能在成型后在这个位置出现贫胶。在这种注射方式下，应考虑将注射口布置在端部余量较大的位置，使缺胶尽量出现在余量线以外，制件机加时将其除去。3 总结本文总结了数值模拟技术在复合材料制造工艺中的应用情况和前景，分析了数值模拟技术在热压罐工艺过程中的优势。（1）能够低成本，高效地对热压罐内流场、温度场、工装及零件的温度历程进行仿真分析，从而优化工装导热设计和热分布试验方案。（2）可以对大型复杂复合材料零件的固化过程进行仿真，分析固化制度对零件固化过程的影响，分析潜在风险并对固化制度进行优化。（3）通过对零件固化变形的仿真预测，可以对工装补偿方案进行优化，改善零件外形精度，保证装配质量。参考文献1. 复合材料工型肋的 RTM 工艺模拟与优化，陈吉平，苏佳智，韩小勇等，玻璃钢/复合材料；2. 数值模拟技术在热压罐工艺中的应用，徐鹏，晏东秀，杨青等，制造与仿真；3. 先进复合材料成型工艺图解，潘利剑，张彦飞，叶金蕊，化学工业出版社；致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
