預浸帶鋪放過程溫度場動態仿真與實驗研究

楊 濤，申艷嬌，楊素君，李志猛，牛雪娟

(1.天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387；2.天津工業大學 機械工程學院，天津 300387)

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預浸帶鋪放過程溫度場動態仿真與實驗研究

楊 濤1，2，申艷嬌1，2，楊素君2，李志猛2，牛雪娟2

(1.天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387；2.天津工業大學 機械工程學院，天津 300387)

為了測量鋪放過程中粘合點溫度峰值和復合材料的溫度場分布，構建了基于LabVIEW的溫度場在線測量系統。實驗中預浸帶鋪放5層，熱風槍穩定溫度為200 ℃。實驗結果表明，隨著鋪放過程的進行，每一層預浸帶的溫度曲線都出現多個峰值，且峰值逐漸降低，其中第1個峰值即為粘合點溫度，平均分別為80.1、91.4、101.3、113、108.3 ℃，比較可知，各層預浸帶粘合點溫度逐漸升高。同時，建立了預浸帶鋪放溫度場有限元模型，利用ANSYS中的生死單元以及循環加載技術模擬了預浸帶動態鋪放過程。有限元模擬結果中的粘合點溫度分別為71.8、96.2、104.3、107.9、105.3 ℃，與實驗結果相比誤差可控制在10%以內，且粘合點溫度越高，其準確性越好。

預浸帶鋪放；溫度場分布；動態仿真；實驗

0 引言

復合材料自動鋪帶技術由于其生產效率高、質量可靠性高、制造成本低等優勢，現在歐美部分發達國家已將此技術廣泛應用于航空大型復合材料構件的制造中[1-5]。復合材料預浸帶在鋪放過程中，其內部的溫度歷程非常復雜。預浸帶鋪放過程中不同的溫度梯度會引起復合材料內部熱應力和熱變形，進而引起材料的早期破壞。鋪放過程中的溫度歷程對復合材料構件成型后的機械性能有很大的影響，因此研究復合材料預浸帶在鋪放過程中的溫度場分布有重要意義。

目前，在國外已經有很多關于復合材料鋪放過程中溫度場的研究。Grove[6]通過建立二維有限元模型研究了單一激光熱源下鋪帶過程的溫度歷程。Beyeler等[7]運用二維有限差分技術分析了激光加熱鋪帶過程中的熱傳導各向異性現象。Trende A等[8]引入與溫度相關的參數，建立了熱塑性復合材料層合板的雙帶壓層過程的數學模型。Guan X等[9]研究了熱空氣作為熱源時熱塑性復合材料鋪放過程中的熱傳導問題。目前國內對復合材料鋪放成型的研究工作主要集中在鋪放軌跡規劃[10]、軟件技術開發[11]、控制系統研制[12]和工藝參數優化[13]等方面，對鋪放過程中溫度場的研究工作較少，且多集中在理論研究部分，缺少復合材料鋪放過程的實驗研究。本課題組前期已經進行了復合材料鋪放過程中溫度場的數學模型建立及有限元仿真[14-15]。

本文通過自行構建的溫度場在線測量系統，對鋪放過程中粘合點溫度峰值和復合材料的溫度場分布進行測量。同時針對實驗建立溫度場有限元模型，對預浸帶鋪放過程進行動態仿真，分析整個鋪放過程中的溫度場分布和隨時間變化情況，并將有限元分析結果和實驗結果進行對比分析。

1 實驗

1.1 實驗材料及裝置

實驗材料為炭纖維/環氧樹脂基復合材料預浸料(SK化工有限公司)，牌號為USN175B，其單層厚度為0.171 mm，寬為50 mm。

為進行預浸帶的鋪放，自行搭建了預浸帶鋪放實驗平臺。步進電機通過絲杠傳動帶動鋪放頭平穩、勻速地移動；熱風槍和壓輥分別固定于鋪放頭上，通過調整固定熱風槍的3個臂，從而自由調節熱風槍的角度，同時壓輥位置也可進行上下調整，從而調節壓輥施加于預浸帶的壓力；鋪放頭的上方安裝1個導向輥，通過調整導向輥和壓輥之間的垂直距離，可調節待鋪放預浸帶和基體之間的角度。

為實現對鋪放過程中各層預浸帶溫度的在線采集和存儲，構建了實時溫度采集系統，該系統由溫度采集部分、信號調理部分、信號采集部分和數據存儲部分組成，如圖1。

由預浸帶鋪放實驗平臺和實時溫度采集系統組成溫度場在線測量系統，從而實現對鋪放過程中復合材料各個部分溫度的實時監測。該溫度測量系統將LabVIEW 與虛擬儀器技術結合起來，利用E型熱電偶作為溫度測量元件，對預浸帶鋪放過程中的溫度進行實時采集，之后通過溫度變送器對熱電偶輸出的電信號進行放大和濾波，數據采集卡對溫度變送器輸出的電壓進行采集，然后輸入到計算機，最后計算機通過LabVIEW程序將電壓值轉換為溫度值，以便進行存儲和分析。

圖1 鋪層溫度采集系統

1.2 實驗過程

實驗中鋪放的預浸帶為5層，每次鋪放長度為500 mm，熱風槍穩定溫度為200 ℃，鋪放頭以10 mm/s的速度移動，將5個熱電偶Tc1～Tc5分別放置在芯模與第1層預浸帶和每2層預浸帶界面之間的中點處，如圖2所示。當對第1層預浸帶進行鋪放時，首先把熱電偶放置在芯模表面，鋪放頭經過時，熱電偶Tc1和芯模表面同時被熱風槍加熱，因此Tc1的溫度隨著芯模表面一起變化，鋪放頭移走以后，熱電偶Tc1便被第1層預浸帶覆蓋。以此類推，當5層預浸帶全部鋪放完畢時，5個熱電偶便全部被放置在復合材料基體內部。這樣，鋪放過程中溫度信號的實時采集工作完成。之后，在LabVIEW平臺上進行編程，對采集到的溫度數據進行處理，使溫度信號轉化為數據存儲起來，便于后續分析。

圖2 熱電偶放置示意圖

2 動態仿真

為了與實驗進行對比，利用ANSYS建立溫度場有限元模型，對預浸帶鋪層過程進行動態仿真，仿真中的各參數與實驗中的相同。

2.1 有限元模型及邊界條件

有限元模型中網格單元選用4節點平面單元Plane55，該單元具有二維熱傳導能力，每個節點有1個溫度自由度。創建高0.855 mm、長500 mm的矩形作為復合材料，高10 mm、長500 mm的矩形作為芯模。溫度場模型邊界條件為：整個模型的初始溫度為5 ℃；鋪層之前，芯模、預浸帶、輥子、芯模左右及下邊界溫度均相等，固定為室溫值5 ℃；輥子移動速度恒定；受熱風槍高溫熱氣流沖擊區域為對流熱傳導，表面處氣體溫度為200 ℃；未受高速氣流沖擊區域為自然對流下的熱傳導和熱輻射混合傳熱，表面處氣體溫度為5 ℃。鋪放過程中熱風槍噴出的高溫熱氣流即為熱載荷，假設熱風槍有效載荷長度為10 mm。復合材料有限元模型和邊界條件如圖3。

圖3 有限元模型及邊界條件

2.2 動態載荷及有限元分析

預浸帶鋪放是一個動態的過程，本文利用ANSYS中的生死單元以及循環加載技術解決復合材料自身形態和載荷分布變化的問題，其流程如圖4。

圖4 求解流程圖

有限元模型建立后，對各節點施加5 ℃的初始溫度約束，并殺死所有待鋪放復合材料單元。從圖4可看出，每一次求解都要做以下處理：增加1個載荷步；復活即將進行鋪放的復合材料單元，使鋪放過程中預浸帶被實時添加到基體中；刪除上一步中的載荷并在新的單元節點上重新施加熱載，實現移動載荷的施加。

3 結果與討論

3.1 實驗結果

利用自行搭建的鋪放實驗平臺進行多次預浸帶鋪放實驗，采用構建的實時溫度采集系統對鋪放過程中的溫度進行在線采集，圖5為3次溫度測量結果。

(a)第1次實驗過程

(b)第2次實驗過程

(c)第3次實驗過程

從各圖中單層溫度曲線可看出，隨著鋪放過程的進行，每層預浸帶的溫度曲線都出現多個峰值，且峰值逐漸降低，其中第1個峰值即為粘合點溫度；由各層之間的粘合點溫度比較可知，各層預浸帶粘合點溫度逐漸升高。其原因在于，對于任何一個熱電偶來說，隨著鋪放層數的增加，不斷有新的預浸帶覆蓋其上，使得熱風槍對其影響越來越小，因此其溫度上升程度越來越小，即單層溫度曲線峰值逐漸降低；同時，由于溫度的累計效應，使得各層的溫度峰值即粘合點溫度逐漸上升。

3.2 仿真結果

通過ANSYS建立溫度場有限元模型，對預浸帶鋪層過程進行動態仿真。在模型鋪放的每層中間處都取1個節點，記錄預浸帶鋪放過程中各層溫度隨時間的變化情況，結果如圖6、圖7所示。

圖6 有限元模擬鋪放過程中各層預浸帶溫度-時間曲線

圖7 有限元模擬對第5層進行鋪放時各層預浸帶溫度-時間曲線

對圖6和圖7進行分析，隨著鋪放過程的進行，每層預浸帶的溫度曲線都出現多個峰值，且峰值逐漸降低；各層預浸帶粘合點溫度逐漸升高，由此可看出有限元模擬結果與實驗結果一致。

有限元模擬結果中的粘合點溫度及3次實驗結果中粘合點溫度分別列于表1。對有限元模擬結果和3次實驗結果平均值進行比較，可得各粘合點溫度之間的誤差分別為11.5%、5.0%、2.8%、4.8%、2.9%，平均誤差為5.4%。通過上述分析可以看出，本文構建的炭纖維預浸帶自動鋪放過程中溫度場在線測量系統與有限元仿真有比較理想的吻合度，二者誤差可控制在10%以內，且粘合點溫度越高，其準確性越好。

表1 實驗與有限元模擬粘合點溫度對比

4 結論

(1)利用自行搭建的鋪放實驗平臺進行預浸帶鋪放實驗，實驗中鋪放的預浸帶為5層，每次鋪放長度為500 mm，熱風槍穩定溫度為200 ℃，鋪放頭以10 mm/s的速度移動。實驗結果表明，隨著鋪放過程的進行，同層預浸帶的溫度曲線都出現多個峰值，但峰值逐漸降低。其原因在于，隨著鋪放層數的增加，不斷有新的預浸帶覆蓋其上，使得熱風槍對其影響越來越小，因此其溫度上升程度越來越小，即單層溫度曲線峰值逐漸降低。

(2)每層預浸帶溫度曲線多個峰值中的第1個即為粘合點溫度，平均分別為80.1、91.4、101.3、113、108.3 ℃；由比較可知，各層預浸帶粘合點溫度逐漸升高。其原因在于，隨著鋪放層數的不斷增加，由于溫度的累計效應，使得各層的溫度峰值即粘合點溫度逐漸上升。

(3)預浸帶鋪放是一個動態的過程，本文利用ANSYS中的生死單元以及循環加載技術解決復合材料自身形態和載荷分布變化的問題，建立了溫度場動態有限元模型。有限元模擬結果中的粘合點溫度分別為71.8、96.2、104.3、107.9、105.3 ℃，與實驗結果相比誤差可控制在10%以內，且粘合點溫度越高，其準確性越好。

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(編輯：薛永利)

Dynamic finite element simulation and experimental study on heat transfer in prepreg placement process

YANG Tao1，2，SHEN Yan-jiao1，2，YANG Su-jun2，LI Zhi-meng2，NIU Xue-juan2

(1.Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory,Tianjin 300387,China；2.School of Mechanical Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

An online temperature measurement system based on LabVIEW was established,aiming at measuring the temperature peak at the nip-point and the temperature distribution in the prepreg placement process.In the experiment,5 layers of prepreg were laid-up and the stable temperature of hot air was 200℃.The experimental results show that along with the placement process,the temperature curves of every layer have several peaks decreasing gradually and the first peak was the nip-point temperature.The nip-point temperatures of each layer increased gradually,which were 80.1℃,91.4℃,101.3℃,113℃ and 108.3℃ respectively.In addition,a finite element model of temperature field was established and a dynamic finite element simulation for prepreg placement process was done by using the birth-death element strategy and the cyclic loading strategy in ANSYS.The nip-point temperatures in the finite element simulation results were 71.8℃,96.2℃,104.3℃,107.9℃ and 105.3℃ respectively.The error of the nip-point temperature between finite element simulation results and experimental results can be controlled within 10%,and the higher the nip-point temperature get,the more accurate the result become.

prepreg placement；temperature distribution；dynamic finite element simulation；experiment

2014-07-28；

2014-09-25。

國家自然科學基金(11372220)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃重點項目(11JCZDJC23000)。

楊濤(1970—)，男，教授，研究方向為復合材料成型技術與裝備。E-mail：yangtao@tjpu.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)03-0410-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.022