復合材料零件熱分布試驗設計方法

艾 明，房曉斌，張晨松

（西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

復合材料成型過程中，原材料在熱壓罐中的成型是至關重要的，零件在熱壓罐成型過程中的熱分布直接決定著零件的成型質量，必須在固化過程中對零件各個位置的溫度狀態進行準確的檢測，確保零件所有位置均能夠滿足固化所要求的升降溫速率、保溫時間等要求，才能夠使零件達到較為完美的固化質量。隨著復合材料在飛機各部位的大量應用，復合材料零件的結構形式越來復雜，單純依靠操作人員的經驗分析已經不能完全準確確定復合材料零件在熱壓罐中的熱分布狀況，無法對復合材料在熱壓罐中的成型的升降溫進行準確的監控。因此，需要針對復合材料零件在成型工裝各個位置在熱壓罐中的熱分布進行研究。

1 熱壓罐中的熱空氣循環

現用于復合材料零件生產的主流熱壓罐，一般選用環形風道，風機位于熱壓罐尾部，熱壓罐內部根據升溫要求分布設計電加熱元件，其罐內氣體流向即熱空氣循環方式如圖1所示。在熱壓罐中，氣流的方向是一個固定的。復合材料零件生產過程中，通常根據氣流方向大致判定出零件/工裝在熱壓罐中的熱分布趨勢并加以監測。隨著復合材料零件的結構越來越復雜，零件的結構以及工裝的尺寸、結構都會對氣流造成一定的影響，這樣就不能單單通過人為分析去確定零件/工裝在熱壓罐中的熱分布趨勢，必須進行熱分布試驗，用試驗結果證明分析數據的準確程度，同時找出領先、滯后位置，在生產中用于監測。

圖1 熱壓罐中氣流方向示意圖

2 熱分布典型零件的選取

飛機上選用的復合材料零件越來越多，從成本及時間上考慮，不可能做到每一項零件都進行熱分布試驗，因此必須對零件進行分族，根據零件選用材料、結構及使用工裝的結構特點，將類似的零件歸納至一個族中，并在這些類似的零件里選取一個具有典型代表性的零件作為該族的族代表零件，只針對族代表零件進行熱分布試驗，確定該類型零件在熱壓罐中的熱分布趨勢。在后續的零件生產中，此類型將按照族代表零件熱分布試驗得到的結果連接熱電偶，從而實施該類型所有零件在熱壓罐中溫度變化的監測與控制。通常情況下，復合材料零件按照結構形式分為碳纖維壁板族、碳纖維夾層梁族、碳纖維層壓梁族、玻璃纖維前緣族、玻璃纖維楔形尾緣族等。按照工裝的尺寸及結構形式又可分為若干小族。于每一個小族中選取一個代表零件，這樣是為了確保在后續生產中，未進行熱分布試驗的族成員零件在熱壓罐中的熱分布趨勢與各自的代表零件一致。

3 熱電偶連接位置分析

復合材料零件在熱壓罐中固化成型，沿零件長度方向每隔一段距離可以放置一支熱電偶用于監測，如果有型面出現明顯變化的位置，可以增加一支熱電偶。考慮到固化過程中，相同位置但不同鋪層間的預浸料由于加熱或放熱等原因可能造成溫度不一致，膠膜層與預浸料層可能存在升溫速率不一致等問題。根據熱電偶在厚度方向的位置，大致設計了幾種類型的熱電偶用于試驗中的溫度檢測，如圖2所示。

圖2 零件熱電偶類型示意

對于A類及C類熱電偶，都是連接在零件的余量區，如果領先或滯后位置在這些地方，實際生產中是可以直接連接熱電偶用于監測的。但是B類和D類的熱電偶是在零件凈尺寸區之內，如果領先或滯后位置在這些地方，則無法直接應用于實際生產，必須在工裝上找出與這個位置各時間段溫度均相近的點來代替。由此可見，工裝上也必須連接一定數量的熱電偶，如圖3所示。

對于連接在工裝上的熱電偶，需要在熱電偶上覆蓋一定厚度的干玻璃布，否則在固化過程中，這些熱電偶的升降溫速率都將無限趨近于爐溫。覆蓋的玻璃布厚度可以根據需要進行選擇。選取熱電偶位置時，需要注意分析工裝及零件結構，避免選取的位置在實際操作中無法進行熱電偶連接。并且需考慮現場熱壓罐可連接熱電偶的最大數量，一旦超過熱壓罐能力，可以根據分析減少監測熱電偶數量。

圖3 工裝熱電偶類型示意

4 試驗驗證

在確定了熱電偶的放置位置之后，需要通過試驗對這些位置在熱壓罐中各時間點的溫度進行實際監控，選取出領先滯后位置用于后續的實際生產。為進行驗證，需要投產一個與實際零件完全一樣的試驗件，在試驗件生產過程中，按照確定的位置一一連接好熱電偶。熱分布試驗所使用的固化參數應與實際零件一致。在這里特別需要注意，實際固化數據不能出現與工藝文件背離（即使是工裝上連接的熱電偶），如果出現這種情況，直接認為此次熱分布是失敗的，因為這說明這次固化已經超出了文件的控制，必須重新進行熱分布試驗。在下一次試驗中可以采取更改固化參數要求的方法進行調整，但更改的參數不能偏離文件的要求。

5 領先/滯后位置選擇

熱分布試驗結束后，需要對熱分布結果進行分析，篩選出合適的領先與滯后位置。一般來說，不會出現一個位置始終處于領先或者滯后的，所以在選取時需把握住幾個關鍵點：（1）如果每若干分鐘記錄一次數據，在升溫及降溫過程中，領先/滯后次數最多的熱電偶優先進行考慮；（2）最先/最后達到保溫點的熱電偶進行優先考慮；（3）在實際生產中能夠使用的熱電偶進行優先考慮；（4）最先/最后達到可卸壓溫度的熱電偶進行優先考慮。

按照上述原則，可以發現一個大致的規律，這個規律一般適用于所有同類型的零件：（1）在零件/工裝上，比較靠近罐門的熱電偶一般快于靠近罐尾的熱電偶；（2）熱電偶上的覆蓋物越多，該位置的升降溫越慢；（3）越容易直接接觸到熱循環氣流位置的熱電偶升降溫速率越快，反之則越慢；（4）蜂窩芯下的熱電偶（圖2中D類），升降溫速率比沿長度方向位置一樣的其他類型熱電偶要慢；（5）如果工裝過長，可能影響熱壓罐中的氣流循環，那么，最靠近罐門的熱電偶升溫速率一般慢于中前部的熱電偶。

6 結束語

文章介紹的復合材料零件熱分布試驗設計方法，已成功應用在西安飛機工業（集團）有限責任公司承擔的波音飛機復合材料零件熱分布試驗中，所有的熱分布試驗結果獲得波音公司認可，可用于指導復合材料零件生產。同時，在國內民機多個型號復合材料零件研制過程中，這套熱分布試驗設計方法起到了指導性作用，幫助工程技術人員快速、準確地完成了復合材料零件熱壓罐固化過程中的領先/滯后位置選擇。