復合材料結(jié)構(gòu)件變形分析與工程控制

馬 軍 ，胡 斌 ，萬建平 ，郭鵬亮 ，龔 文 ，劉 影

（1.航空工業(yè)洪都，江西南昌 330024；2.中國人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西南昌330024）

0 引言

復合材料具有比強度高、比模量高、阻尼減震性好及良好的抗疲勞性等一系列優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用于航空、航天、建筑、船舶業(yè)等領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，復合材料的應用已由非承力部件及次承力部件發(fā)展到主承力部件，并向大型化、整體化方面發(fā)展。經(jīng)過多年的摸索，復合材料零件內(nèi)部的缺陷已得到較好的控制，但由于零部件尺寸的增大，整體化程度的提高，圍繞工程應用中出現(xiàn)的復合材料構(gòu)件變形問題變得越來越突出。國內(nèi)外已有很多學者借助分析仿真軟件、建立理論模型再修正等方法進行了相關(guān)方面的研究，因復合材料制造過程復雜，且受多方面因素影響，如：復合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、各向異性鋪層的設計、預浸料的固化動力學、樹脂的機械性及力學性能變化、模具形態(tài)、設備溫場等，現(xiàn)今仍未找到一種切實可行的控制變形的方法。本文基于大批量工程化應用經(jīng)驗和案例，緊密結(jié)合復合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點，對工程中常見的變形因素進行了分析和研究。

1 典型復合材料結(jié)構(gòu)變形影響因素分析

典型復合材料結(jié)構(gòu)大體分為兩類：一類是單純的層合板結(jié)構(gòu)，由多組鋪層組壓制而成；第二類是組合件，由層合板、夾芯材料、異形梁等獨自結(jié)構(gòu)體通過膠膜二次膠接而成或者采用共固化技術(shù)一次成型。這兩類結(jié)構(gòu)的變形影響因素既有共性也有差異性。

1.1 單純層合板結(jié)構(gòu)

層合板結(jié)構(gòu)是纖維復合材料用量體現(xiàn)最多的結(jié)構(gòu)，是由兩層或兩層以上預浸料鋪疊、固化而成的平板或曲率板。在航空航天領(lǐng)域，此類結(jié)構(gòu)大多應用于結(jié)構(gòu)件的蒙皮、梁、肋、墻及筋條等。工程應用中復合材料層合板常會產(chǎn)生翹（扭）曲（圖1）、回彈（圖2）等變形現(xiàn)象，其影響變形因素主要有以下幾方面。

1）鋪層因素

復合材料的最大特點是可設計性，設計根據(jù)結(jié)構(gòu)承載情況采用不同角度鋪層組進行鋪貼，鋪層分為不對稱鋪層和對稱鋪層。

對稱鋪層層板因其面內(nèi)應力在厚度方向上能夠得到平衡，一般變形情況較少，如有變形，主要源于鋪設角度和梯層位置的精確性差。

某些構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)需要，局部必須加強，通常采取不對稱鋪層設計，如機翼蒙皮口蓋邊緣的加強層。由于復合材料鋪層在不同主軸方向，具有不同的熱膨脹系數(shù)，導致材料具有各向異性的熱膨脹特征。隨著縱向和橫向線膨脹系數(shù)的不同，固化后的變形較為明顯，隨著層板尺寸的增加，會發(fā)生翹（扭）曲等變形現(xiàn)象。

2）樹脂體積分布不均

由于受結(jié)構(gòu)、溫場、真空孔位置等因素影響，制件內(nèi)部的樹脂含量會發(fā)生體積分布不均現(xiàn)象。

對于平板零件，當厚度方向樹脂發(fā)生不均勻分布時，樹脂固化中產(chǎn)生的熱效應不均勻，富樹脂區(qū)熱能大，熱應力大，而低樹脂區(qū)熱量小，熱應力小，在外壓卸除后，平板熱應力釋放則會產(chǎn)生翹曲變形（如圖3）。

對于曲率零件，除熱效應外，設備外壓作用于零件上，因外壓梯度的存在會使樹脂流動不均勻，造成變曲率區(qū)域樹脂的遞增和減少（如圖4），甚至造成貧脂區(qū)和富脂區(qū)，這種不均勻性會導致曲率件在脫模后產(chǎn)生回彈變形。

3）熱工藝設備溫場不均勻

目前，復合材料主要加熱設備有熱壓罐、固化爐和熱壓床三種。熱壓罐和固化爐固化成型過程中，由于設備內(nèi)腔較大，風為渦流形式運轉(zhuǎn)（如圖5），整個罐（爐）內(nèi)會存在溫差，擺放于罐（爐）內(nèi)各段的模具受熱程度有差異，從而使模具型面溫度分布不均勻，最大溫差可達10℃以上，勢必會影響到復合材料構(gòu)件表面溫度及其固化質(zhì)量，最終導致構(gòu)件變形。熱壓床與模具間為傳導熱形式，受模具高度影響，模具周邊與外界空氣接觸，模體上、下面與加熱平臺接觸，所在模具橫截面上存在溫度不均勻,致使結(jié)構(gòu)件變形。

4）模具與零件材質(zhì)的差異性

金屬模具的線膨脹系數(shù)一般遠大于復合材料零件。零件由于熱壓罐內(nèi)壓力作用而緊貼模具，模具受熱向外延長，受摩擦力影響，貼模面纖維承受拉應力，由于零件處于固化狀態(tài)，應力向上傳遞速度極慢，使厚度方向生成應力梯度，隨著固化工藝進程的推進，樹脂完全固化，沿厚度方向分布不均勻的應力殘留在構(gòu)件內(nèi)，而固化結(jié)束后殘余應力得到釋放導致構(gòu)件發(fā)生變形（如圖6）。

5）固化過程

復合材料結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷高溫固化成型及冷卻過程后，由于材料的熱脹冷縮效應、基體樹脂的化學收縮效應以及復合材料與成型所用模具材料在熱膨脹系數(shù)上的顯著差異，導致構(gòu)件在固化過程中存在殘余應力，脫模后在室溫下的自由形狀與預期的理想形狀之間會產(chǎn)生一定程度的不一致，形成固化變形。固化過程中影響變形的工藝參數(shù)主要有溫度、壓力、加壓點、升降溫速率及保溫時間。

1.2 復合材料組合件

復合材料結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式除層合板之外，還有以復合材料整體化制造技術(shù)為牽引產(chǎn)生的板筋膠接組合件、板芯膠接組合件及共固化組合件（或共膠接件）等（如圖7）。常見的構(gòu)件有復合材料舵面、機翼機身壁板、盒段及艙段等。這些結(jié)構(gòu)除層合板變形特性外，還存在其他變形影響因素有：組合模具定位結(jié)構(gòu)、二次加溫固化、吸濕及不同材質(zhì)組合固化過程中的熱變形積累。

1）組合模具定位結(jié)構(gòu)

無論是膠接件還是共固化件，其各組合件間要通過模具進行定位或限位，模具的結(jié)構(gòu)形式是控制產(chǎn)品外形的重要手段。目前模具主要以金屬材質(zhì)為主，金屬與復合材料的熱脹系數(shù)差異會產(chǎn)生模具受熱延伸，受冷收縮過程中，復合材料不能夠隨模具同時產(chǎn)生相應的拉、壓應力，在取模后形成了殘余應力。

2）二次加溫固化

組合件中有膠接件、膠接共固化件。

膠接件是將兩個已固化零件采用膠膜進行組合，加溫過程中會膠膜固化收縮，已固化組件經(jīng)二次加溫的殘余應力釋放，這兩種變化造成殘余應力的重構(gòu)。

膠接共固化件是將一已固化零件和一未固化零件采用膠膜同時進行零件固化和膠接工作，即組件一為已固化，組件二為預浸料，組件二會產(chǎn)生固化收縮和反應熱造成膠接共固化件的變形。

3）吸濕變形

復合材料固化物分子中含有較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且分子中多為疏水性基團或交聯(lián)密度高且結(jié)構(gòu)致密的樹脂，吸濕性能很低，工程上一般不做考慮，而真正體現(xiàn)吸濕變形的部位往往是加工端面暴露在空氣中的纖維。由于不同鋪層形式的復合材料板其各個方向的濕脹系數(shù)不同，材料越厚，其內(nèi)部濕度梯度越大，各個方向會呈現(xiàn)出更加復雜的變形。此外還有蜂窩結(jié)構(gòu)（如圖8），它是復合材料濕變形中最為典型且吸濕嚴重的結(jié)構(gòu)，蜂窩板是經(jīng)過整體浸膠固化，但因蜂窩板往往用在一些曲率件上，一般會通過機加數(shù)銑出外形，銑切口處端面缺少了樹脂保護，纖維外漏受潮，蜂窩外形極易變形。

4）不同材質(zhì)組合固化過程中熱變形積累

一些復雜的結(jié)構(gòu)件，存在多種類纖維層板、泡沫結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、樹脂膠，在組合中需要用到工裝，另還有金屬組合件或一些金屬預埋件。在一個固化參數(shù)下，各種結(jié)構(gòu)材料的熱變形情況極為復雜，所產(chǎn)生的熱變形會因不同結(jié)構(gòu)而在不同位置，表現(xiàn)為不同變形量，是變形控制中最難控制的形態(tài)。當各組件熱變形量不能達到平衡時，在取模后會在結(jié)構(gòu)最薄弱區(qū)產(chǎn)生應力釋放，形成組合件變形，如一些翼型件或主承力結(jié)構(gòu)件較多采用多材質(zhì)組合。

2 復合材料結(jié)構(gòu)件變形控制的工程實用方案

通過對各種復合材料結(jié)構(gòu)件變形影響因素的分析，在工程應用中通過反復研究和實踐，形成如下實用變形控制方法：

2.1 鋪層控制

鋪層控制從兩方面考慮，一是設計盡可能按對稱結(jié)構(gòu)設計，對于組合件除單個產(chǎn)品的內(nèi)部鋪層的小對稱，特別注意組合件以對稱面構(gòu)成的鋪層大對稱。二是鋪貼過程中，鋪層梯度位置與其相對稱層梯度位置偏差量要精確控制。鋪層角度偏差控制在±2°以內(nèi)。條件允許盡可能采用自動化設備，如自動下料機、激光定位儀和自動鋪帶機等設備代替手工操作。

2.2 樹脂體積含量控制

在樹脂固化階段，樹脂流失或降低方式有垂直向吸取和邊緣向吸取，這兩種吸膠均應盡量避免，可采用零吸膠樹脂。在不能避免的情況下必須放置吸膠層，垂直向吸膠層應根據(jù)鋪層厚度計算吸膠層層數(shù)，杜絕邊緣吸膠，可采用橡皮進行堵塞。對于曲率結(jié)構(gòu)件，注意曲角區(qū)的外壓受力均勻，可采用橡膠、金屬板、復合材料板制成復合均壓板，鋪設在零件表面起到外壓的均布作用。

2.3 環(huán)境控制

在復合材料的生產(chǎn)、成型、運輸、儲存過程中要嚴格控制環(huán)境溫度和濕度。對于高精度產(chǎn)品，在選材方面應選擇低吸濕率材料，儲存過程中放于滿足存放條件的環(huán)境。對于高吸濕性材料，如蜂窩板、泡沫板，必要時采用真空包裝。

2.4 模具控制

1）模具結(jié)構(gòu)

為確保模具在熱場環(huán)境中（如熱壓罐）能夠均勻受熱，模具上各點溫差范圍符合工藝需求，模具的結(jié)構(gòu)設計是重點。模具可設計成通風良好的框式結(jié)構(gòu)，如圖9，模具由型面及格柵結(jié)構(gòu)的支撐框格組成，布有通風口及均風孔，即能滿足剛度要求，又能滿足模具均勻加熱的要求。

2）模具存放

目前采用數(shù)字化加工的模具型面精度均能夠保證在±0.1mm，但因模具自重較大，如存放不當，隨時間模具會發(fā)生變形現(xiàn)象，從而影響成型零件。通過為細長條模具在不使用時配以固持架進行存放，能夠防止因存放不良產(chǎn)生的模具變形。

3）模具選材

與復合材料熱膨脹系數(shù)最為接近的模具可選材料目前主要是復合材料和殷瓦鋼。在工程應用中，復合材料模具較難維護，用量不是太多，針對較長構(gòu)件，尤其是細長構(gòu)件，當產(chǎn)量較大時優(yōu)先選殷瓦鋼模具。

4）模具回彈角補償設計

飛行器上有較多的梁、肋結(jié)構(gòu)為帶曲率結(jié)構(gòu)，當曲率越大，回彈變形越小，曲率越小，回彈變形越大。針對這些彎曲結(jié)構(gòu)件，通過在模具上事先設計回彈角能夠積極改善回彈變形量（如圖10）。

5）模具局部增減材設計

通過多架次生產(chǎn)后，找出構(gòu)件變形固定區(qū)和變形量，在模具上對應變形區(qū)進行變形方向加增材，變形反方向減材的方式，可達到微量糾偏效果（如圖11）。

6）模具限位或定位控制

對于組合件，各構(gòu)件的熱脹系數(shù)差異導致的變形特別突出，但受結(jié)構(gòu)影響，構(gòu)件必須做限位的情況下，工程上可采取兩種辦法：一種是采用腰形孔進行補償定位，即一端圓孔定位，另一端腰形孔定位法，一般在蜂窩膠接時可全用圓孔定位，在膠接層合板時采用腰形孔定位。另一種是采用可調(diào)節(jié)間隙墊片限位。內(nèi)部框架組合時采用標準間隙墊片在理論位置進行定位成型，在后期膠接外蒙皮時取下或調(diào)整墊片，用于釋放零件和工裝的伸縮量差值（見圖12）。

2.5 固化參數(shù)控制

固化過程是基體材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，這是一個復雜的熱、化學和力學性能急劇變化的過程，過程中會發(fā)生樹脂高度交聯(lián)收縮和熱量釋放，其中固化溫度和降溫速率影響變形最大。工程上可采取：

1）在接近固化溫度點前進行多段恒溫，使零件各部位的溫度接近，控制在±3℃左右。

2）在降溫階段，控制降溫速率，使殘余應力緩慢釋放，一般降溫速率控制在2℃/min以下。

3）對于大型復雜模具，如果模具內(nèi)部位置與模具外部位置有較大溫度差，可通過不起模，采用室溫時效，繼續(xù)進行模具散熱，直至模具各部位溫度均在40℃以下。時效時間根據(jù)模具體積核算。

2.6 組合與裝配控制

復合材料整體化制造過程中，各零件的膠接和裝配過程中都可以采取措施糾正或釋放一些前期產(chǎn)品的已發(fā)生變形量，但方法要依據(jù)具體工藝和變形位置而定，一個重要的特征是變形位置和變形量工程實例很固定。以下介紹三個較為典型的方法。

1）在多種材質(zhì)膠接組合過程中，熱應力變形總是會發(fā)生在結(jié)構(gòu)最薄弱處，通過變形分析和工程積累獲得數(shù)據(jù)后，可采取在其周邊區(qū)域增設松弛槽的方法釋放應力，轉(zhuǎn)移薄弱點，緩解應力集中（圖13）。

2）組合膠接過程中，采取拼接形式的零件，應考慮采取組合件的長向有自由度，窄向限位方式進行組合。比如可在各組合件配合端面放置1mm-2mm間隙，以緩解熱脹冷縮的應力效應及組裝過程中的不協(xié)調(diào)（圖 14）。

3）當確定變形位置和變形量，工程上還可在后期的機械連接裝配環(huán)節(jié)糾正組合件姿態(tài)，如通過過定位法在變形方向的反面加墊校正，但應注意加墊量的控制。

3 結(jié)語

本文從復合材料兩類典型結(jié)構(gòu)上分析了復合材料變形的影響因素。提出了以工程應用為背景的解決復合材料變形問題的諸多變形控制實施方案。復合材料結(jié)構(gòu)各異，選擇合適的變形控制手段應根據(jù)結(jié)構(gòu)、鋪層、材質(zhì)、工裝進行合理組合和創(chuàng)新，沒有單一或固定方法可解決所有變形問題。

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