復合材料熱壓罐成形模具型面補償設計方法研究

趙敏 黃紅端

摘 要：復合材料在固化成形時經常會出現變形問題，對復合材料構件的精度、尺寸、外形產生了很大影響?；诖?，本文認為應通過補償模具型面，讓材料變形量得到抵消。從熱壓罐成型工藝概況出發，對熱壓罐成型的模具型面補償設計進行分析與探究，希望為相關人員提供一些幫助與建議。

關鍵詞：復合材料；模具型面；補償設計

中圖分類號：TH162 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0050-02

0 引言

進行熱壓罐成型的模具型面補償設計的思路是使構件成形之后的形狀尺寸符合設計要求，高溫狀態構件的理想形狀應為構件由低溫升至固化溫度發生膨脹而產生的形狀。固化周期模具熱變形屬于彈性變形，也就是材料經過固化脫模會恢復到原有的模具型面形狀，設計模具型面的基礎是對固化點溫度下模具型面幾何形狀的精準預測。通過對補償以后的數值進行模擬，發現使用模具型面的熱補償方法進行模具型面的設計可以使復合材料在制件成形時受到的復合材料、模具兩者的力學、熱學性能不一致與固化過程中的固件變形問題得到補償。

1 熱壓罐成型工藝概況

通過熱壓罐成型工藝，能夠對復合材料的真空度、壓力、溫度等多個工藝參數進行在線實時控制并做到時序化，因此該工藝在新能源、交通、兵器、電子、航天航空等復合材料構件領域得到了廣泛應用。但熱壓罐成型工藝在使用過程中經常遇到一些問題。金屬成型模具與復合材料構件相比線膨脹系數會比較大，而且樹脂基體固化前，構件由于熱壓罐的壓力作用和模具貼的很緊，和模具較近的纖維需要承受拉應力，這時復合材料構件的剪切模量比較低，構件的厚度方向應力沒有較好的傳遞能力使其厚度方向會有應力梯度出現。伴隨固化工藝不斷進行，樹脂完完全全的固化，構件中殘留了順著厚度方向沒有均勻分布的應力，構件完成固化以后釋放殘余應力從而導致變形。與此同時，模具結構形式與導熱性能會對復合材料構件中分布的固化溫度場造成影響，從而對構建中最終殘余應力的分布與大小造成影響。

為了使熱壓罐成型工藝中復合材料成形時變形的問題得到解決，當前使用最多的解決方法就是通過模具型面對成形受到的構件變形量進行補償性位移修正。補償性位移修正的方法通常是以實驗為基礎，結合以往經驗進行累積嘗試，反復多次調整模具型面并進行補償性的修正加工，使模具變形得以抵消[1]。不過該方法比較耗費材料與時間，還會使復合材料的構建成本增加。本文認為，應進行模具型面的補償設計，通過計算機的數值模擬，結合有限元的理論，對模具引起的構件變形與構件本身熱變形進行分離，然后通過修正模具型面來補償兩部分的變形量，使得模具結構的優化技術與固化工藝的缺陷得到彌補，使得構件最終的精度、尺寸、外形等能夠符合要求。

2 熱壓罐成型的模具型面補償設計

2.1 補償設計的基本原理

當樹脂基復合材料處于固化過程的時候，材料固化到玻璃態的溫度時會有相對穩定的力學與物理性能，可以認定降溫固化階段的材料變形是因為成型模具、材料兩者間熱物理性能與材料本身熱變形不一致引起了線彈性變形[2]。與此同時，熱壓罐成型的工藝中，罐內只有很小的溫度梯度，并且溫度場均勻分布，很多復合材料在制件時成型的溫度都低于二百攝氏度，可以認定模具與降溫固化階段熱收縮量屬于溫度的一個線性函數，并和材料熱物理性能存在一定關系。由此可見，為了讓構件成形以后可以符合設計形狀的需要，玻璃態的轉化溫度條件下構件理想形狀應為從低溫提高到玻璃化的溫度點經過熱膨脹產生的形狀。

當復合材料處在固化的初期階段時，復合材料的鋪層是黏流性的狀態并緊緊貼在模具的表面，型面的形狀和模具的型面一樣，在處于固化點的時候，材料的粘彈性非常高，這時由于罐內的壓力作用與材料應力松弛的效應使其型面的形狀依舊和模具的型面一樣。將P設為材料最開始型面的形狀，將D設置為模具的型面，當材料處于固化點溫度的時候，將P1設置為其型面的形狀，D1設置為模具的型面，那么P=D且P1=D1。當處于固化點時，材料由于收縮、松弛等一系列原因使得在轉化成玻璃態的過程會出現變形現象。如果材料在固化時玻璃態的轉化溫度和固化點的溫度相等，那么從理論上講玻璃態的模具型面形狀與固化點時模具型面形狀相等[3]。

根據上述分析不難看出，在復合材料進行制件時，固化時模具和制件幾何型面建立了緊密的玻璃態轉化點、固化點聯系，如果可以了解材料固化點時理想的設計型面形狀，那么就可以了解到玻璃態轉化點時模具型面是何種形狀，然后把玻璃態的模具降到室溫便能夠獲得室溫下模具形狀。在本文中，對模具型面進行補償設計的總體思路是進行材料有相等的玻璃態轉換溫度與固化點溫度的假設，這樣的話模具型面在理論上玻璃態溫度的轉換點與固化點具有相同的幾何形狀。具體設計的過程主要是將升溫固化到理想固化點形狀的制件設計模型當成高溫下模具型面最開始形狀的設計模型，把模具最開始的高溫模型在熱壓罐的固化降溫條件下降低到室內的溫度來獲得常溫下模具最開始的型面模型，將這時模具型面當作初始模具固化與復合材料構件的型面形狀，對升溫固化過程中的構件進行分析，把固化點時構件幾何形狀和高溫理想構件形狀進行比較，從而對理想高溫的模具型面形狀進行確定。

將高溫狀態下復合材料構件理想的型面當成設計模具型面的根據主要是為了使模具發生熱膨脹變形引起的構件變形與固化降溫時構件的熱彈力變形得到補償。與此同時，該設計方式能夠使高溫狀態的制作型面與模具型面的一致性得到保證。

2.2 補償設計

2.2.1 補償設計的過程

在本文中，補償設計的實際操作過程如下：第一，使用ansys有限元分析軟件把復合材料構件由室溫順著升溫固化方向加載到玻璃態的轉化溫度，獲得玻璃態下理想的構件型面幾何形狀。第二，由于固化的初始階段材料會與模具緊貼，使得模具型面的幾何形狀和材料形狀相同[3]，故將獲得的理想構件高溫型面當作基礎，對高溫下模具型面的模型進行構建。第三，把高溫下的模具型面模型順著降溫固化方向下降到室溫，獲得模具型面常溫下的模型。

2.2.2 確定模具型面的形狀

在本文中，使用ansys有限元分析的軟件對設計的復合材料構件進行降溫固化階段的反向加載，獲得玻璃態下構件型面的理想幾何模型。此模型即為高溫狀態下模具的原始模型。以某無人機機身上板件模具設計為例，使用構件的原始數據反向加載出高溫狀態下的幾何形狀，等效做為高溫時模具的幾何模型：如圖1所示。

2.2.3 補償設計模具型面

獲得復合材料構件的高溫模型后，使用UG軟件提取出幾何模型，用于對模具高溫時的型面與相應等效模具模型進行構造。在ansys有限元分析的軟件中，把高溫等效的模具模型順著降溫固化方向降低到室溫，獲得模具在室溫時離散的等效模型。見圖2。

復合材料在固化時出現的化學收縮應變主要由狀態轉變時材料物理性能決定，無法借助模具型面來補償，因此在本文中數值模擬過程在升溫固化的階段未對化學收縮造成的應變、應力進行考慮，只對材料在固化時熱膨脹系數與固化反應的放熱變化影響應力、變形的情況進行考慮[4]。升溫固化時應選取合理的加載周期，使固化周期中整體的熱壓罐壓力、溫度均勻分布。

2.2.4 分析模擬的結果

在固化時復合材料主要受到的約束為模具支撐約束與熱壓罐對材料表面施加的氣壓約束，復合材料固化的過程是從粘流態經過橡膠態轉化成玻璃態，這一過程中，材料受到應力松弛作用能夠快速將升溫固化階段的應力釋放掉。為使固化模擬過程中材料徑向約束帶來的材料應力無法釋放而引起的材料中間變形隆起進行消除，本文進行模擬時將橡膠層設置于模具與材料的邊緣部分，使材料受到的模具徑向約束得以平衡，模具與材料其他的部分設置成接觸約束，讓模擬的過程和具體狀況更加接近。從補償模具型面溫度的結果可以看出，通過補償模具型面溫度可以使固化周期中材料熱彈性的變形量得到補償。

3 結語

總而言之，運用熱壓罐成型工藝對復合材料的模具型面進行補償設計具有十分重要的意義。在本文中使用的模具型面補償法主要以構件彈性的變形機理為基礎，在補償時對升溫固化階段模具的熱變形與降溫固化階段構件的熱彈性變形進行了綜合考慮，屬于物理補償法。通過模擬設計模具型面之后的數值可以發現，使用模具型面的熱補償設計法可以對復合材料在制件成形時的變形問題得到有效解決。

參考文獻

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