热压罐成型复合材料构件的变形预测与应用研究

袁铁军 周来水 葛友华

(①盐城工学院机械学院，江苏盐城 224051;②南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

先进复合材料诞生于20世纪60年代末，因其具有高比强度、高比模量、耐热、耐腐蚀、耐疲劳、隐身性好等独特性能而在航空、航天、汽车、兵器、电子、建筑、医疗等领域得到广泛应用。复合材料的研究水平和应用程度是一个国家科技发展水平的重要体现，尤其在航空工业，各种先进的飞机无不与先进的复合材料技术紧密联系在一起，是一项具有战略意义的关键技术［1－2］。

热压罐固化成型是航空航天复合材料结构件传统的制造工艺，由于复合材料构件的整体尺寸越来越大，所需的热压罐尺寸跟着加大，成本问题也随之突出，特别是制造成本，这是制约它进一步扩大应用的主要障碍之一。以美国为首的西方发达国家纷纷制订低成本复合材料发展研究计划，不断完善复合材料层压板真空袋—热压罐制造工艺，开发高性能、低成本的复合材料制造技术，并已取得较大进展［3－4］。降低复合材料构件制造成本的方法有很多，其中预测热压罐成型复合材料构件的变形，并采取相应的措施做适当补偿，从而以较短的周期，较低的成本加工出高形状精度的构件，就可减少后续修补、切削、装配等工作量，就可以大大降低复合材料构件制造成本，如果能够很好地控制复合材料构件成型的几何变形，使得构件的形状误差较小，具有较好的互换性，这对飞机低成本高效率的维护有很大的意义。

本文将从热压罐成型复合材料构件变形的种类及影响变形的各种因素入手，介绍变形预测的理论模型、求解模型的算法、研究对象，并探讨未来变形预测发展及其应用的趋势。

1 影响构件成型变形的因素

复合材料构件热压罐固化变形可分为3类:热膨胀系数不一致导致的变形、化学收缩变形、由模具与构件相互作用导致的变形［5］。

J.Magnus.Svanberg认为影响变形的具体因素如表1所示［6］。岳广全等人通过数值模拟预测和实验分析，认为模具的翘曲变形对构件的固化成型有影响［7］。李军等人认为构件合适的几何参数可以减小翘曲变形［8］。X.Zeng等人认为工装支撑架、树脂的流动和固化影响构件的变形，考虑这些因素会使得预测更准确。气孔含量的增加会降低复合材料的层间剪切强度，纤维体积分数的变化影响材料的弹性性能和热性能，会导致应力分布的梯度，进而产生工件变形。纤维体积分数的梯度分布，这种不均匀性尤其是在厚度方向上的对残余应力和变形的影响更大［9］。李桂东认为工装支撑结构中的通风口，对热压罐空气循环系统中，空气的流动影响较大，若工装支撑结构中，通风口开口方向和大小不合理，将影响工装模板表面的受热均匀性，这也是影响复合材料构件的成型质量的关键因素之一［10］。Twigg等人通过研究模具与构件的相互作用发现构件几何形状对固化变形产生很大的影响［11－12］。总的来说，影响构件成型变形的因素很多，大部分已经在研究时被考虑到，但仍然有些因素对预测结果有影响，由于各种原因还没有被充分研究，比如工装结构对构件变形的影响。

表1 影响形状变形和残余应力的因素

2 变形预测方法

Johnston A提出了固化硬化瞬间线弹性基本模型来预测复合材料构件加工导致的变形，并使有限元软件包COMPRO能以非常合适的计算资源对大型复杂构件进行检查［13］，具体流程原理如图 1。J.M.Svanberg针对回弹现象指出固化过程对回弹的影响，要建立精确地预测复合材料构件变形的模型，必须考虑树脂不同状态时的热膨胀系数、化学收缩率以及固化结束后的残余应力。用综合考虑了这些因素建立的路径依赖的线粘弹性力的基本模型来预测构件的变形，与传统的粘弹性模型、基于通用有限元软件ABAQUS编写的专门用户子程序相比，计算时间大大减少［6］。G.FERNLUND等人提出基于有限元的结合二维平面模型和三维弹性壳模型来预测复合材料成型构件的变形量，按照以下6步来实现计算:①选择三维结构中合适的二维结构;②创建并运行二维结构的处理模型;③研究并验证二维模型的预测变形;④创建构件的三维模型;⑤分离三维模型的横截面并与变形匹配;⑥三维较好作用分析。该方法能较好预测复杂壳结构构件热压罐成型导致的变形，与三维处理模型相比，保留了三维模型的高精度也能用较少的时间来计算复杂大型构件［14］。S.Clifford等人建立了基于通用有限元软件ABAQUS编写的壳单元与实体单元相接合的各向异性的粘弹性模型，计算精度和可模拟零件的尺寸大小的矛盾得到了很好地解决，该模型可用于大型薄壁带三维形状、任何堆叠方式、热粘弹性组织的构件，但与实验结果相比该模型预测的数值偏高［15］。Abdul Rahim Ahamed Arafath等人提出闭式解决方案来预测构件成型导致的变形，与有限元法相比，该方法建立的模型能够有效地抓住问题的物理本质，且速度快，不需要大量时间划分和优化网格，能够提供物理的视觉来洞察根本的变形机理［16］。Li Jun等人建立了三维递增粘弹性模型并利用有限元软件ABAQUS来实现固化变形的预测。该模型考虑了材料的各向异性热应变、温湿膨胀、树脂热化学收缩［17］。Nima Zobeiry等人比较了瞬间变硬固化线弹性模型与粘弹性模型的关系，说明使用瞬间变硬固化线弹性模型的时机，确定了该方法的有效范围和精度［18］。Nuri Ersoy等人建立简化的模型，该模型假设构件在某一时刻玻璃化，突然全部从橡胶态转为玻璃态，通过有限元软件根据分两步来预测构件成型变形。该法既有较好的精度，又没有完全粘弹性模型的复杂计算和大量数据要求，但该模型没有考虑固化过程、模具与构件的相互作用［19］。X.Zeng等人通过实验和数值模拟深入研究了模具与构件的相互作用机理，建立摩擦子模型完善了理论模型，并通过了实验的验证［20］。

整体上来说，模型从线弹性向非线性粘弹性发展，越来越完善，包含更多的子模型，例如传热模型、化学收缩模型、材料模型、机械应力及应变模型、摩擦模型。建立模型时力求实现精度与计算时间的统一。

3 变形预测应用

变形预测的主要目的是指导生产，提高构件成型的精度。目前主要有以下几种应用。

(1)优化热压罐成型工艺，比如恰当地确定成型压力、升温速率、降温速率等参数。该方法已经广泛使用在生产中。

(2)根据变形预测的结果，在工装上进行针对性的修改，从而使得构件成型后获得合格的形状。岳广全研究了修改工装对构件变形的影响，提出修改模具厚度、模具支撑结构、模具型面可以有效控制构件变形，但修改工装参数时要考虑对模具刚度的影响［20］。李桂东建立了基于构件型面节点变形的工装型面补偿模型，通过新的构件型面设计新的工装型面，重新设计工装结构，进行变形预测，原理如图2所示。该方法已经用于国内某主机厂的工装设计系统［10］。

(3)优化产品设计，多方面的研究表明构件的几何结构对构件成型变形有明显影响，根据几何尺寸对变形的灵敏度大小，优化设计相关尺寸参数，控制构件的变形［21］。

4 变形预测的构件结构

热压罐成型的典型构件的种类很多，研究对象主要针对几何结构相对规则的平板类、L型、U型、C型、T型构件、V型薄壁件的变形研究［9］，对具有空间曲面的复杂结构的构件的变形研究较少。

5 未来研究展望

(1)建立既准确又实用的预测模型仍然是未来研究的主要方向。复合材料构件越来越大，对计算机的计算能力是一个挑战，模型必须在理论上完整科学，还得可以方便简化计算。

(2)将针对某一类典型结构的构件分别开展研究，研究对象将包含更多复杂结构典型构件。构件的几何结构对变形影响重大，需分类开展深入的研究，便于提高预测精度和增强对生产的指导。

(3)对热压罐成型过程中的温度场进行更详细的研究。为了提高预测精度，必然会考虑很多以前忽略的因素，这些因素对模具、构件、热压罐温度场有较大影响，比如模具支撑结构对热压罐系统温度均匀性的影响(空气动力学，热传导)。

(4)对模型的边界条件，研究得会更充分。这对提高预测精度也有较大影响。

(5)针对不同结构构件开发与通用CAD软件结合的产品程序包。该程序包可实现构件几何参数、成型参数、工装设计优化。

6 结语

本文针对热压罐成型复合材料构件的变形预测及应用的相关研究进行了分析与总结，并展望了未来主要研究方向。在此基础上，提出需要分别针对某一类典型构件进行深入研究，建立理论完善、计算方便的实用模型，对边界条件要进行深入的研究，对工装结构对整个温度场的影响进行深入研究，加强研究成果的软件化开发，对数字化快速设计复合材料构件、成型参数、工装，低成本加工复杂构件有着重要的意义。

［1］陈功.复合材料构件数字化制造若干支撑技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2007.

［2］Andrew A Johnston.An integrated model of the development of process－induced deformation in autoclave processing of composite structure［D］.Canada:The University of British Columbia，1997.

［3］蔡闻峰.树脂基碳纤维复合材料成型工艺现状及发展方向［J］.航空制造技术，2008(10):54－57.

［4］郝建伟，等.先进复合材料主要制造工艺和专用设备［J］.航空制造技术，2008(10):40 －45.

［5］Chen Song Dong.Dimension variation predication and control for composites［D］.USA:The Florida state university，2003.

［6］J Magnus Svanberg.Predication of manufacturing induced shape distortions－high performance thermoses composites［D］.Sweden:Lulea U-niversity of technology，2002.

［7］岳广全，等.热压罐成型工艺所用框架式模具的变形分析［J］.复合材料学报，2009(5):148－152.

［8］李君，等.复合材料T型整体化结构固化翘曲变形模拟.复合材料学报［J］，2009(1):156 －161.

［9］X Zeng.Role of tool－ part interaction in process－induced warpage of autoclave－ manufactured composite structures［J］.Composite，Part A，2010(41):1174－1183.

［10］李桂东.复合材料构件热压罐成型工装设计关键技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2010.

［11］Twigg G，et al.Tool－ part interaction in composites processing.Part I:experimental investigation and analytical model［J］.Composites:Part A，2004，35(1):121 －133.

［12］Twigg G，et al.Tool－part interaction in composites processing.Part II:numerical modelling［J］.Composites:Part A，2004，35(1):135－141.

［13］Johnston A，et al.A plane strain model for process induced deformation of laminated composite structures［J］.Compos Mater，2001，35(16):1436－1469.

［14］G Fernlund，et al.Finite element based prediction of process－ induced deformation of autoclaved composite structures using 2D process analysis and 3D structural analysis［J］.Composite Structures，2003，62(2):223－234.

［15］S Clifford，et al.Thermoviscoelastic anisotropic analysis of process induced residual stresses and dimensional stability in real polymer matrix composite components［J］.Composites:Part A，2006 ，37(4):538 －545.

［16］Abdul Rahim Ahamed Arafath，et al.Closed－form solution for process－induced stresses and deformation of a composite part cured on a solid tool:Part I－ Flat geometries［J］.Composites:Part A，2008，39(7):1106－1117.

［17］Li Jun，et al.Thermo－ viscoelastic analysis of the integrated T －shaped composite structures［J］.Composites Science and Technology，2010，70(10):1497 －1503.

［18］Nima Zobeiry，et al.Computationally efficient pseudo － viscoelastic models for evaluation of residual stresses in thermoset polymer composites during cure［J］.Composites:Part A，2010，41(2):247 －256.

［19］Nuri Ersoy，et al.Modelling of the spring － in phenomenon in curved parts made of a thermosetting composite［J］.Composites:Part A，2010，41(3):410 －418.

［20］岳广全.整体化复合材料壁板结构固化变形模拟及控制方法研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010.

［21］Chensong Dong.A parametric study on the process－ induced deformation of composite T － stiffener structures［J］.Composites:Part A，2010，41(4):515 －520.