浅谈如何解决复合材料零件回弹问题

李仁鹏，王兰

中航通飞研究院有限公司，广东珠海519040）



浅谈如何解决复合材料零件回弹问题

李仁鹏，王兰

中航通飞研究院有限公司，广东珠海519040）

摘要：随着复合材料在现代工业产品中的大量使用，其优势逐渐被广大设计人员所认可，并不断的发掘、优化。但其同样存在着一定的缺点，复合材料零件回弹变形、翘曲就是问题之一。通过调整复合材料零件局部的定向树脂含量，来解决复合材料零件回弹变形的问题。

关键词：复合材料；回弹；翘曲；树脂含量

0　概述

随着现代工业的发展，人类对工业产品的性能和经济性要求越来越高。复合材料与传统的金属材料相比具有更高的比强度和比模量、良好的耐腐蚀性能和耐疲劳性能等。同时，复合材料作为各向异性的材料，具有更好的可设计性，可以得到性能更好、更轻的结构。因此复合材料在现代工业产品中的应用比例越来越高。但是复合材料同样存在着一些缺点，零件成型过程中的回弹问题就是其一。

1　回弹产生的原因

复合材料在成型过程中由于材料本身的各向异性及加温固化等因素使结构内部不可避免的产生残余应力，从而导致零件的回弹变形。零件的变形直接导致后续装配的带应力装配，影响产品的结构强度和疲劳寿命，甚至造成零件报废。

造成复合材料零件回弹变形的因素有很多。主要包括：零件的结构形式、铺层方式及取向、固化时间及温度、固化压力分布及树脂流动、随温度变化的材料力学性能、固化反应放热、化学收缩、纤维体积含量、固化工艺参数、模具因素等。

综合以上复合材料零件回弹变形的产生原因，可以简单的归类为：固化过程中产生的纤维内应力和树脂的收缩。

2　回弹的解决方法

复合材料零件的基本结构形式有：等厚度板件、变厚度板件和带曲率零件。任何复杂零件都可认为是由这3种结构形式组合而成。在这里我们抛开固化温度曲线、压力和模具等工艺因素的影响，单从零件设计上来考虑。

基于复合材料零件回弹由固化过程中产生的纤维内应力和树脂的收缩造成，等厚度复合材料板件，可以通过设计完全对称的铺层来避免回弹的产生。变厚度复合材料板件，在完全对称铺层的情况下会由于零件的刚度突变，纤维产生内应力，向无阶差的一侧弯曲。带曲率的复合材料零件，会由于树脂的内外差异向曲面零件的内侧弯曲变形，实际生产过程中，发现变厚度零件厚度变化过大时，零件会向有阶差一侧回弹。带曲率零件的曲率过大时，零件向内的变形量比预期要大。通过分析，主要是由于在变厚度的阶差处往往会形成富胶带，树脂的收缩抵抗了纤维的内应力，并使零件回弹方向改变。大曲率零件在零件内侧同样会形成富胶带，使零件变形比预期的要大。综上，可以通过调节零件树脂含量来调节零件的回弹量，并抵抗纤维内应力产生的回弹。

3　典型试验验证

依上述理论设计了1组试验，这组试验包含4组试验件。试验选取的零件为具有典型变厚度和大曲率的零件。零件剖面如图1所示，沿曲率方向为90°。零件基本材料为碳纤维编织布，每层厚度0.218mm，铺层为（45/0/90/45/45/90/0/45）。单向带具有纤维方向的唯一性，可以作为增加垂直纤维方向树脂含量的材料，每层厚度0.15mm。单向带沿与零件曲率垂直的方向铺贴，以增加零件曲率过大位置外侧的树脂含量。用树脂沿曲率方向的收缩来抵抗零件的回弹。第1组试验件用零件原始铺层。第2组在原铺层的基础上，在零件外侧增加1层碳纤维单向带，位置及大小如图1。第3组在原铺层的基础上，在零件外侧增加2层碳纤维单向带，位置如图1。第4组在原铺层的基础上，在零件外侧增加3层碳纤维单向带，位置如图1。

图1　典型试验件结构

经过标准固化周期固化后，第1组回弹量1.5mm 到1.7mm。第2组回弹量0.9mm到1.1mm。第3组回弹量0.4mm到0.5mm。第4组回弹量0mm到0.2mm。试验件及回模情况对比，如图2所示。

图2　典型试验件及回模情况

根据本试验的结果，简单考虑初始回弹量c、零件厚度t、增加树脂厚度t，引入系数k，减少的回弹量a，建立适用于本零件的公式

4　结束语

对于复合材料零件，当不考虑固化温度曲线、模具等工艺因素时，可以通过调节零件局部树脂含量来调节零件的回弹量。要避免复合材料零件回弹带来的损失，就要在复合材料零件生产过程中尽量避免非预期的富胶或缺胶现象的出现。

参考文献：

［1］牛春匀，程小全，张纪奎.实用飞机复合材料结构设计与制造［M］.北京：航空工业出版社，2010.

［2］张纪奎，郦正能，关志东.热固性树脂基复合材料固化变形影响因素分析［J］.复合材料学报，2009，26（1）：179-184.

［3］张纪奎，郦正能，关志东.热固性复合材料固化过程三维有限元模拟和变形预测［J］.复合材料学报，2009，26（1）：174-178.

［4］戴棣，乔新，刘善国.单曲面复合材料层合构件的固化变形计算［J］.航空制造技术，1999（5）：46-58.

作者简介：李仁鹏（1982-），男，工程师，学士，从事飞机复合材料结构设计、维修研究工作；王兰（1981-），女，工程师，学士，从事通用飞机电气的研究和设计。