前緣類復合材料制件固化變形控制的研究及應用

成艷娜，李 楠，李欣桐，何煜文

（西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

復合材料具有質輕、強度較高、模量較大、抗疲勞、耐腐蝕和可設計性較強等特點，尤其適用于大型及整體結構，是理想的航空結構材料，在飛機結構上的應用日益廣泛。熱壓罐成型工藝是目前廣泛應用的復合材料結構件成型方法之一。然而，采用熱壓罐固化的熱固性樹脂基復合材料結構件普遍存在固化變形現象。復合材料在固化成型階段經歷了復雜的溫度和壓力歷程，會發生樹脂基體交聯反應、樹脂基體固化收縮以及樹脂流動等一系列復雜的物理-化學過程[1，2]。此外，由于增強纖維和基體樹脂熱脹系數不同[3]，固化工藝參數各異，以及零件-模具相互作用[4]，使得在固化成型階段復合材料零件內部極易產生殘余應力，最終導致復合材料零件脫模后產生變形。復合材料固化變形問題嚴重影響其加工成本和質量穩定性，限制了其在工程上的廣泛應用。

前緣類零件為飛機上的次承力部件，外形雙曲，截面為U型。由于前緣類零件受材料種類、結構尺寸差異、工藝因素以及不同模具等相關因素影響，導致其固化變形機理較為復雜，成型精度難以控制。前緣類零件固化變形表現為收口，越接近零件邊緣則收口變形量越大。采用三維激光掃描儀檢測某前緣零件固化變形情況，結果如圖1所示。收口變形導致前緣類零件在后續的裝配過程中產生裝配容差超大等問題，若強制裝配則可能降低結構的強度和疲勞壽命，甚至造成制件報廢。

圖1 前緣零件三維掃描結果與設計模型比對Fig.1 Comparison of measurement result and design model for leading edge part

針對前緣類復合材料制件固化變形問題，一般通過調整模具型面來補償制件變形量，以控制變形程度或抵消變形的影響作用。模具的調整量通常根據以往的經驗或反復試模。該方法大大增加了制件的成本預算和研制周期，嚴重制約了復合材料在復雜裝配關系結構中的應用。隨著復合材料結構類型及用量的大幅增加，工程上對復合材料固化變形的預測與固化變形補償方法提出了緊迫的現實要求。改變依靠工藝人員經驗和反復試錯進行變形量預測和補償的傳統方法，建立復雜外形曲面零件變形量補償和專用技術，成為必須面對和解決的問題。出于工程應用需求的考慮，希望固化變形預測方法具有步驟簡單規范、計算效率較高、成本較低、實用性較強等特點。

本研究探討了前緣類復合材料制件的固化變形問題，開發了一套基于試驗數據的復合材料結構件固化變形規律及其補償量的預測方法，實現了前緣類復合材料制件的固化變形量預測與補償，滿足了工程應用的要求。

1 研究方法及試驗件設計

1.1 研究方法

前緣類復合材料的固化變形控制研究方案如下：①設計并制造前緣類典型結構的局部特征試驗件，通過檢測局部特征試驗件的型面數據，分析材料種類、結構形式、鋪設層數、夾芯材料種類及厚度等因素對試驗件固化變形量的影響；②基于試驗數據，建立一種便于工程上應用的復合材料結構件固化變形規律及其補償量的預測方法；③針對工程上的復合材料制件，根據該預測方法，獲取變形規律和補償量，建立工藝數模；④通過變形補償后的工藝模型驅動成型模具設計和成型過程，實現前緣類復合材料制件的高效、高質量成型。

1.2 試驗件設計

為了獲得前緣類零件的固化變形規律，同時減少試驗數量，選取預浸料種類、鋪設層數、夾芯材料種類及厚度、曲率半徑R等參數相互組合，開展響應面試驗。試驗件參數如表1所示。試驗件為定截面，分為層壓結構和夾層結構2種，成型用的工裝材質為普通鋼。層壓結構試驗件長度為200 mm，夾層結構試驗件長度尺寸為400 mm，R區半徑范圍為20～200 mm，R區夾角θ均為90°。局部特征試驗件截面示意如圖2所示。

表1 響應面法試驗件參數Tab.1 Test parameters of test specimens for response surface experiment method

圖2 局部特征試驗件結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of local characteristic test specimen

2 固化變形規律局部特征試驗件的制造及檢測

采用熱壓罐成型工藝制造固化變形規律局部特征試驗件。固化工藝按照每種材料工程上使用的參數。試驗件型面檢測采用三維激光跟蹤儀。利用SA軟件的特征擬合與球面提取功能，將點云與理論數模進行比對分析，得到固化前后的變形情況。層壓件及夾層件的檢測結果如圖3、圖4所示。

圖3 層壓結構局部特征試驗件及變形情況檢測結果Fig.3 local characteristic test specimen of laminated structure and deformation test result

圖4 夾層結構局部特征試驗件及變形情況檢測結果Fig.4 Local characteristic test specimen of sandwich structure and deformation test result

3 固化變形規律及補償量預測方法

采用響應面法預測復合材料的固化變形，采用雙因素中心復合法，得到二次方的實驗規律模型，見式（1）。

基于局部特征試驗件測量數據，可分別求解函數關系式（1）中的擬合系數a1、 a2、b1、 b2、 c1和 c2， 構 建 出 不 同 材 料 對 應 的 圓 弧半徑R、鋪設層數與固化變形量之間的函數關系式，進而得到補償量函數關系式（2）中的補償修正后的成型角θ′。

式中，為基礎試驗角度回彈值，θ0為直角，r為圓角半徑，t為鋪層數量，a2、 a1、b2、 b1、 c2和 c1為 擬 合 系 數 。

式中，θ為成型角，f為回彈率，為補償修正后的成型角。

針對工程上特定的前緣零件，按照固化變形預測數學模型函數關系式（1）和函數關系式（2），求解出補償修正后的成型角。利用零件理論型面，根據求解出的補償修正后的成型角，可進行固化變形補償工藝模型設計，然后進行成型工裝的設計和制造，最后進行試驗件的制造和型面檢測。通過型面檢測結果與理論型面進行對比，驗證前緣類復合材料制件固化變形補償預測結果的準確性。

該固化變形補償預測方法依據基于實驗數據的函數關系式，可快速計算出不同曲率位置、不同厚度的變形補償量，具有步驟簡單規范、計算效率較高、成本較低和實用性較強等特點。

4 固化變形預測方法的工程驗證

針對工程上的前緣復合材料制件，本方案中固化變形預測方法的應用過程主要包括：①采用截面線離散或其他類似方法，在三維模型中提取零件基體型面進行曲面離散及點離散，此過程可將復雜組合結構拆解為典型截面的多個圓弧段；②依據固化變形規律函數關系式預測每個弧段對應的固化變形量，依據補償量函數關系式計算補償后的圓弧半徑；③按照半徑補償量對各弧段按照等弧長原理重構，最后拉伸厚曲面、添加相關結構特征形成工藝數模；④按照工藝數模驅動成型模具進行設計和成型過程；⑤利用三維激光跟蹤儀或激光掃描儀等檢測試驗件型面。最終實現前緣類復合材料制件的高效、高質量成型。

圖5 前緣零件變形補償流程圖Fig.5 Flow chart of deformation compensation for leading edge part

選取某尾翼前緣零件，按照設計數模制造進行試驗，標記為試驗件A；按照圖5中的前緣零件變形補償流程圖進行工藝過程設計，根據工藝數模設計成型工裝型面，制造前緣試驗件，標記為試驗件B。利用三維激光跟蹤儀分別測定試驗件A及B的型面[氣動外緣型值基本公差為（0±1.0）mm]，比對分析結果如表2所示。

由表2可知：按照預測補償值構建的工藝數模制造試驗件，型面合格點數由66.6%提高到90.2%，其固化后的變形量可減少約60%，證明基于試驗數據得到的固化變形規律及補償量預測方法適用于工程上的前緣零件，按照本研究中的變形補償方法進行設計，可實現前緣零件的固化變形控制，顯著降低工裝 返修率和制造成本。

表2 試驗件A及試驗件B的型面檢測結果Tab.2 Profile measurement results of test specimen A and B

5 結論

本研究針對前緣類復合材料制件，通過局部特征試驗件制造及檢測，構建了固化變形補償經驗關系式，利用關系式可快速計算出不同曲率位置、不同厚度的變形補償量。工程驗證表明，應用該補償方法可提高前緣零件的型面精度，滿足工程實用要求。

對于已經構建的前緣零件固化變形經驗公式，仍需在工程應用過程中根據補償后制件的實際偏差值的范圍進行優化，通過持續的積累和完善，不斷提高預測和補償的準確度，最終實現前緣類復合材料制件的變形可控化。

參考文獻

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