空間曲面類復合材料構件固化變形修正技術研究

劉寶明，項 松，薛繼佳，曲長征

（1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學 遼寧省通用航空重點實驗室，沈陽 110136）

空間曲面類復合材料構件固化變形修正技術研究

劉寶明1，項 松2，薛繼佳2，曲長征2

（1.沈陽航空航天大學 航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學 遼寧省通用航空重點實驗室，沈陽 110136）

針對空間曲面類復材構件固化變形問題，提出采用在標準工裝上預鋪復材型面的方式獲取變形規律，預測構件的固化變形，通過反向修正預先補償變形量生成工藝數模，用于制作模具型面。詳細介紹了修正計算方法和步驟，并通過對機翼曲面進行實際修正，獲得了理想的成型精度，證明了該方法可以有效的降低變形，提高制件精度。

復合材料；標準工裝；變形修正；工藝數模

0　引言

熱壓罐成型是目前航空用先進復合材料構件成型的主要方法之一，在成型過程中產生的固化變形是復合材料構件成本過高和質量不穩定的主要原因。復合材料固化變形涉及碳纖維性能、樹脂基體性能、模具結構、模具材料性能、固化溫度場分布情況、固化制度、固化過程中化學反應、零件結構等多種因素，各種影響因素相互作用，綜合作用的結果體現在復合材料零件的變形上，因此復合材料固化變形極其復雜，很難進行控制。固化變形問題直接影響復合材料在飛機上的應用，目前復合材料零件的外形精度控制已經影響了我國航空工業在復合材料應用方面的快速發展。

國內外學者從理論與試驗方面做了大量研究工作，分析了各因素對復合材料構件成型質量的影響［1～6］，也取得了驕人的成績，但大部分研究者是對影響復合材料構件成型的若干種因素進行單獨設計實驗，研究對象主要針對幾何結構相對規則的平板類、L型、U型、C型、T型構件、V型薄壁件的變形研究，對具有空間曲面的復雜結構的構件的變形研究較少［7］，研究成果不具備普遍性，因此不能被很好的應用和推廣。

針對這種現狀，本文提出了一種新的固化變形規律獲取方式，研究了變形修正的算法和切實可行的修正手段，并以曲面類零件-機翼作為研究對象，進行了試驗驗證，證明了該方法的實用性。

1　變形規律的獲取

若要實現復材構件的變形修正，首先必須獲取構件的變形數據，根據各處的變形量進行分析，研究減小變形的方法。現有的方法是在大量實驗基礎上，對固化工藝進行反復調整和對模具型面進行反復試湊或修正完成的，成本過高且生產效率低下；國內研究學者利用有限元分析軟件［7，8］或人工神經網絡方法［9，10］，實現了固化變形的預測，但對于普通用戶來說，由于預測模型建立難度較大、模型中考慮的因素不夠全面及樣本數據收集困難等問題，限制了該方法的實用性。

本文采用在標準工裝上預鋪復材型面的方式獲取實驗數據，總結某一類零件的變形規律，用以指導該類復合材料構件的變形修正。

1.1標準工裝設計

根據某一類復合材料構件的結構特點，設計了一套標準工裝。根據結構及約束情況，將標準工裝分為不同的區域，在鋪制試驗件時，根據零件特點選擇標準工裝上的合適區域制作，鋪制方法和成型工藝應與復合材料構件完全相同，這樣試驗件的固化變形規律才能與實際生產的復材構件變形規律最為接近。對于同一類復材構件的制作，只要采用與試驗件完全相同的成型工藝，修正時即可使用該試驗件數據，無需重新鋪制試驗件。由于采用標準工裝獲取修正用試驗件數據，避免了對產品成型模具的反復修正加工，大大降低了制造成本。

1.2變形參數確定

為實現數模修正的目標，從試驗件中提取數據、確定變形參數時應從如下兩個方面進行考慮：

1）根據變形參數能重構試驗件型面；

2）變形參數能描述試驗件上任意一點在固化變形前后的空間位置及變形量；

本文根據曲面類零件的特點及固化變形情況，最終確定將試驗件曲面按一定規則切分為若干截面，并在截面線上取長度、半徑、法矢和角度參數作為變形參數。

1）長度（L）：截面線上分段單元的長度；

2）半徑（R）：截面線上某一位置的曲率半徑；

3）法矢（T）：截面線上某一點的法矢方向；

4）角度（θ）：截面線上任意一點處的切線與基準線的夾角。

1.3變形規律總結

由于試驗件的鋪制與實際生產時復合材料構件的鋪制采用完全相同的工藝過程和環境，因此，試驗件數據包含了影響固化成型的各種因素綜合作用的結果。通過對比分析試驗件與標準工裝相應區域的數據，可總結得到各參數的變化規律，表達如下：

式中，L'、R'、T'、θ'分別為試驗件采樣點處的長度、曲率半徑、法矢量和角度值。L、R、T、θ為標準工裝采樣點處的長度、曲率半徑、法矢量和角度值。

2　固化變形預測與模具型面修正

目前，有關減小固化變形措施的研究主要集中在兩個方面，一是優化固化工藝［11～13］，二是調整模具形狀以補償固化變形［14，15］。通過優化固化工藝，可以在一定程度上減小固化變形，但效果并不十分理想，仍需結合模具型面的補償方法，才能最終達到提高復合材料構件成型精度的目的。

本文在總結試驗件變形規律的基礎上，提出了一種新的變形預測與模具型面修正算法，即根據影響變形的各參數變化規律進行反變形計算，生成新的數模，以補償變形所造成的誤差。具體修正過程如下：

1）根據曲面形狀特點，按相互垂直的兩個方向分別做若干截面，將其劃分為網格面，其中曲率變化較大的方向作為修正主方向。沿主方向上需劃分較多的點數，以提高型面擬合精度。具體點數的多少采用兩種方式確定，一是由設計人員根據型面特征自行輸入點數；二是根據允許的擬合誤差計算滿足精度要求的最少點數。

2）對網格頂點按修正主方向進行修正計算，得到新的網格頂點。修正算法如式（2）所示 。

式中，V′為修正后的網格頂點，V為修正前網格頂點，k1～k4為各修正量的強度系數。當系數取值為1時，是按照變形規律的修正量1：1進行修正，當不為1時，按修正系數乘修正量進行修正。可根據實際情況單獨調整或同時調整各項修正量的強度系數。

3）沿第二修正方向（與修正主方向垂直）修正計算，獲得準確的邊界數據。

此方向由于曲率變化較小，因此重點考察尺寸變化量，保證獲得準確的型面邊界尺寸。

4）根據修正計算后的頂點及邊界重新構造曲面并進行光順，生成新的模具型面，稱之為“工藝數模”。當按工藝數模制作模具后，由于其中已經預留了復材制件的固化變形，因此，當零件脫模變形后，將獲得理想的形狀。

3　實例驗證

為了驗證算法的準確性，采用CATIA二次開發的方式，開發了復材修正模塊，用于修正得到工藝數模。鋪制了飛機機翼復材構件，經掃描逆向后得到鋪制產品的實際型面數模，在CATIA軟件中對比分析了零件數模與實際產品數模的形狀誤差，結果如圖1所示。

不考慮邊緣的紅色噪聲點，我們發現形狀誤差從中心向邊緣逐漸變化，最大誤差值為5.47mm。

在接下來的實驗中，選取標準工裝上的某區域鋪制試驗件，并獲取試驗件變形規律，按此變化規律和本文所述修正算法對產品數模進行反向修正，修正后的數模與零件數模對比分析結果如圖2所示。

由結果可知，復材固化變形誤差最大值已經降為0.338，得到了有效的控制，證明本文所述方法是行之有效的。

4　結論

1）根據某一類復合材料構件的結構特點，設計了一套標準工裝，并采用在標準工裝上鋪制試片的方法，獲取了復材構件固化變形規律。

2）提出了一種新的變形預測與模具型面修正算法，即根據試驗件變形規律，對數模進行反變形計算，獲取用于制作模具的工藝數模，并通過實例驗證了該方法的可行性。

3）通過CATIA二次開發的方式，增加復材修正模塊，可實現復材變形修正得到工藝數模，可使用戶無需具備較強的專業知識，即可完成復材工裝型面的設計，實用性較強。

圖1　未修正產品與零件對比

圖2　修正后產品與零件對比

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Study on deformation correcting technique of curved surface composite component

LIU Bao-ming1， XIANG Song2， XUE Ji-jia2， QU Chang-zheng2

TB332

A

1009-0134（2016）10-0074-03

2016-06-23

沈陽航空航天大學航空制造工藝數字化國防重點實驗室開放基金資助項目（SHSYS2015001）

劉寶明（1979 -），男，遼寧凌源人，工程師，碩士，研究方向為飛機數字化制造和復合材料成型工藝。