復(fù)合材料構(gòu)件成型模具型板改進(jìn)設(shè)計

花蕾蕾，安魯陵，趙一鳴，魏靈航

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016; 2.航空工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 210016)

0 引言

近50年來，先進(jìn)復(fù)合材料因其高強(qiáng)度、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)點，在航空航天、機(jī)械工程、醫(yī)療、交通等行業(yè)得到了日益廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。尤其是航空制造業(yè)，復(fù)合材料在飛機(jī)中的應(yīng)用比例逐年提升，成為航空工業(yè)中主要發(fā)展和研究的對象[1-2]。

熱壓罐工藝依舊是目前航空企業(yè)在復(fù)合材料構(gòu)件成型中主要使用的一種成型方法[3]。復(fù)合材料構(gòu)件的溫度場主要分為內(nèi)部溫度場和外部溫度場。其中，構(gòu)件與熱壓罐內(nèi)空氣的熱對流為外部溫度場，模具與構(gòu)件之間、模具及構(gòu)件本身的熱傳導(dǎo)則為內(nèi)部溫度場。成型模具與構(gòu)件在罐內(nèi)壓力的作用下始終緊緊貼合，因此成型模具型板表面溫度的均勻性對構(gòu)件的溫度場形成起到了不可忽視的作用。隨著罐內(nèi)空氣的循環(huán)流動，根據(jù)對流換熱的特點，復(fù)合材料構(gòu)件溫度場始終呈現(xiàn)隨加熱方向梯度變化趨勢[4]，其中成型模具型板表面與構(gòu)件之間的熱傳遞對這一現(xiàn)象起到了主導(dǎo)作用。復(fù)合材料上溫度梯度的存在，則會在成型過程中導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部固化度不同步，形成殘余應(yīng)力，在最終脫模時釋放，形成固化變形。固化變形不僅會影響構(gòu)件成型精度，還會影響使用壽命甚至報廢[5]。

目前國內(nèi)外對于成型模具溫度場的改進(jìn)主要從工藝參數(shù)和成型模具入手，其中針對成型模具，大多通過模具支撐結(jié)構(gòu)與模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)。張鋮等[6-7]提出風(fēng)速、溫度速率等工藝環(huán)境參數(shù)對于模具型面溫差具有重要影響。林家冠等[8]通過對框架式模具溫度分布的規(guī)律研究，設(shè)計了一種在支撐結(jié)構(gòu)散熱口附近安裝風(fēng)扇的方法，以達(dá)到加強(qiáng)底部氣體流通的作用從而增強(qiáng)型板表面溫度分布均勻性。傅承陽等[9]則通過有限元仿真，研究確定成型模具表面低溫區(qū)域，設(shè)計了一種在低溫區(qū)域安裝加熱器的方法以改善成型模具溫度分布。張旭生等[10]通過改變模具支撐結(jié)構(gòu)散熱口的閉合改變底部氣體流動風(fēng)道，研究發(fā)現(xiàn)T型風(fēng)道對于型板表面溫度均勻性的提高效果最佳。

本文從模具結(jié)構(gòu)出發(fā)，根據(jù)仿真結(jié)果確定模具型板表面低溫區(qū)域，通過對模具型板變厚度設(shè)計，改善氣體在流通中的熱量損耗，以實現(xiàn)溫度均勻地提高。

1 數(shù)值模擬分析

復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型是一個多場耦合的復(fù)雜過程。對復(fù)合材料傳熱情況分析如下。

1)罐內(nèi)空氣與固體區(qū)域(模具和構(gòu)件)之間通過氣體流動以對流換熱的方式傳遞熱量。

2)由于脫模劑傳導(dǎo)率低且厚度比較薄，因此可忽略其對傳熱的影響。本文仿真時假設(shè)成型模具與構(gòu)件在固化中受壓力作用，模具型板上表面與構(gòu)件下表面緊密貼合，兩者之間進(jìn)行熱傳導(dǎo)。此外模具本身存在熱傳導(dǎo)。

3)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部樹脂基固化放熱，同時存在自身熱傳遞。

在以上傳熱規(guī)律的基礎(chǔ)上，對熱壓罐固化過程中成型模具溫度場進(jìn)行模擬仿真。

1.1 基本方程

根據(jù)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒3個基本方程的微分形式如下：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

-pdiv(U)+div(λ·grad(T))+Sh+φ

(3)

理想氣體狀態(tài)方程：

ρ=f(p·T)

(4)

式中：ρ為流體密度；U為流體速度；η為流體動力黏度；p為壓力；Su、Sv、Sw為動量方程的廣義源項；h與流體壓強(qiáng)和流體溫度相關(guān)；λ是導(dǎo)熱系數(shù)；Sh為內(nèi)熱源；φ為耗散函數(shù)；T為溫度。

對于固體區(qū)域，其能量方程為

(5)

式中：ρs為固體密度；cs為固體比熱；Ts為固體溫度；QT為內(nèi)部熱源項。

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

熱壓罐在航空領(lǐng)域常用于為復(fù)合材料構(gòu)件成型時提供所需溫度和壓力。成型前需將預(yù)浸料、脫膜材料、透氣氈等材料按序鋪放于模具之上，進(jìn)行密封處理，再在真空袋中入罐。一般固化過程將經(jīng)過升溫—加壓—保溫—降溫—降壓的過程，其中罐內(nèi)熱量主要通過空氣的流動進(jìn)行傳遞。

本文將熱壓罐工作內(nèi)腔簡化為圓柱體，成型模具為傳統(tǒng)框架式模具，如圖1所示。研究所用模具尺寸大小為1 500 mm×1 500 mm×400 mm，金屬鋼。熱壓罐工作內(nèi)腔直徑為2.5 m，長7 m。

圖1 框架式成型模具結(jié)構(gòu)

在FLUENT流體仿真之前，需要對簡化后模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文所用模型為框架式模具，結(jié)構(gòu)簡單，可采用網(wǎng)格質(zhì)量高、計算精度高的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，得到近15×104結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

1.3 流體流動模型和邊界條件

將上一步所得熱壓罐及模具的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行計算。本文使用的傳熱介質(zhì)為空氣，密度為1.237 kg·m-3，氣體流速為1.5 m·s-1，動力黏度為1.79×10-5Pa·s。一般來說可通過對雷諾數(shù)Re判斷流體流動模型。

(6)

由式(6)可知Re≥8 000～12 000，判斷流體流動為湍流，F(xiàn)LUENT計算模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

根據(jù)熱壓罐工作原理設(shè)定邊界條件如下：

1)熱壓罐入口設(shè)為速度入口(velocity-inlet)，通過UDF(user defined function)編譯固化溫度曲線如圖2所示[4]。

圖2 簡化工藝曲線

2)熱壓罐尾端采用壓力出口(pressure-outflow)。

3)壁面設(shè)置為Wall。

1.4 模擬結(jié)果和分析

將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[4]中的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證比對(圖3)，兩者誤差在5%左右，驗證了仿真的準(zhǔn)確性。圖4為升溫結(jié)束時型板表面溫度分布，此時最大溫差為50.1 K，溫度方差為166.27 K2，溫度整體呈階梯狀分布趨勢，其中在距迎風(fēng)端80%的地方出現(xiàn)低溫區(qū)域，占總面積的25%。

圖3 實驗數(shù)據(jù)曲線和仿真數(shù)據(jù)曲線對比

圖4 T=7 200 s時型面表面溫度分布

2 非等厚型板模具溫度場模擬

導(dǎo)致上文型板表面出現(xiàn)階梯狀分布趨勢主要原因為：一方面，流體在外掠過型板表面時，由于其黏性會在交界處形成邊界層，而隨著流體的流動方向動能逐漸耗損，邊界層越來越厚，熱阻隨之變大[11-12]。另一方面，模具底部支撐結(jié)構(gòu)在射流沖擊換熱時入風(fēng)端處的隔板起到了阻礙作用，導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度隨著氣體的流向降低。因此可設(shè)計一種非等厚型板以適應(yīng)型板表面不同熱阻作用。

2.1 梯形非等厚度型板

根據(jù)圖4可知高溫區(qū)域出現(xiàn)在迎風(fēng)端端口附近區(qū)域。因此設(shè)計4組梯形非等厚型板，從迎風(fēng)端口處開始，分別至距迎風(fēng)端400 mm、450 mm、500 mm和600 mm處。原框架式成型模具型板厚度為15 mm，此處對型板進(jìn)行變厚度處理，將高溫區(qū)域厚度調(diào)整為20 mm，其他區(qū)域降至10 mm。T=7 200 s時型板表面溫度分布如圖5所示。

圖5 T=7 200 s時梯形型板表面溫度云圖

由圖6(a)可知，以上4種梯形型板在不同程度上對于型板表面溫度均勻性均有所改善。其中距離迎風(fēng)端500 mm時，最大溫差為29.81 K，相較原始型板降低了40.51%，最大溫度方差43.8 K2，降低了73.65%。如圖5所示，所有型板表面在過渡區(qū)均出現(xiàn)溫度起伏區(qū)域，其中400 mm和600 mm在厚度過渡區(qū)域更為明顯，因此可通過對距離迎風(fēng)端30%～33.3%處進(jìn)行加厚處理。

根據(jù)圖6(b)和表1可知，在厚度從20 mm～10 mm突變區(qū)域，型板表面出現(xiàn)最大溫度起伏，其中最大溫度起伏區(qū)域多出現(xiàn)于厚度突變交界處。隨著距迎風(fēng)端距離增大，突變區(qū)域距離迎風(fēng)端越遠(yuǎn)，溫度起伏區(qū)域也隨之后移，且區(qū)域長度及溫度差隨之增大。此外由圖6(b)可知梯形型板并未對低溫區(qū)域位置產(chǎn)生影響，仍出現(xiàn)在距離迎風(fēng)端115 mm左右。

圖6 梯形型板表面溫度曲線分析

表1 不同距離溫度起伏區(qū)域及溫差

2.2 階梯形非等厚度型板

由上節(jié)可知，梯形型板雖然在一定程度上有效地提高了型板表面溫度均勻性，但在厚度突變區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的溫度起伏區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一種階梯形型板，在高溫區(qū)域?qū)⒑穸炔捎弥饾u遞減的方式，將厚度從20 mm遞減至10 mm并保持。同時，根據(jù)上節(jié)所產(chǎn)生的突變處溫度起伏，將距迎風(fēng)端距離增大，采用階梯形變化趨勢，取消厚度突變區(qū)域，使得高溫區(qū)域后面區(qū)域更接近于原厚度，從而緩解突變改善均勻性。本文共設(shè)計6組實驗，分別距離迎風(fēng)端600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm和1 100 mm。T=7 200 s時型板表面溫度分布如圖7所示，階梯形型板表面溫度曲線如圖8所示。

圖7 T=7 200 s時階梯形型板表面溫度云圖

圖8 階梯形型板表面溫度曲線分析

根據(jù)圖7和圖8可知，相較于梯形型板，階梯形型板表面云圖未出現(xiàn)明顯的起伏現(xiàn)象。此外，根據(jù)圖8(a)對比這6組數(shù)據(jù)，階梯形型板對于溫度均勻性改善起到了一定作用，其中當(dāng)距離迎風(fēng)端900 mm時，最大溫差與溫度方差都達(dá)到了最小值，即溫度均勻性達(dá)到最佳狀態(tài)。此時最大溫差為32.78 K，相較于原始溫差降低了34.56%，溫度方差為32.26 K2，下降了70.25%。

2.3 連續(xù)變厚度型板

前兩種變厚度方式均為對固定區(qū)域進(jìn)行厚度變厚處理，本節(jié)中提出一種從迎風(fēng)端開始處冪函數(shù)連續(xù)變厚度方式。本文采用s∝xn厚度變化函數(shù)，其中s為型板厚度，x為距迎風(fēng)端距離，其中n取0.5～1。其型板表面溫度分布與溫度均勻性參數(shù)結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 連續(xù)變厚度型板表面溫度分布

圖10 連續(xù)變厚度型板表面溫度曲線分析

根據(jù)圖9和圖10(a)可知，當(dāng)n為0.8時，最大溫差及溫度方差達(dá)到最小，即型板表面溫度均勻性最好，此時溫度方差為25.98 K2。而隨著n的增大或減小，溫度方差也隨之增大或減小。周光炯等[12]研究表明，溫度邊界層與速度邊界層成正比相關(guān)，且δt∝x0.8。當(dāng)n為0.8時，即s∝x0.8時，型板厚度變化規(guī)律與溫度邊界層厚度變化規(guī)律同步，因此型板表面溫度均勻性達(dá)到最佳。

3 結(jié)語

本文利用FLUENT進(jìn)行熱壓罐固化過程中溫度場模擬。研究發(fā)現(xiàn)型板表面低溫區(qū)域出現(xiàn)在距迎風(fēng)端115 mm處，約占面積25%。為有效提高型板表面溫度均勻性，本文提出一種對型板不同區(qū)域變厚度方法，分別對型板低溫區(qū)域減厚和高溫區(qū)域加厚。主要包括3種厚度方法：梯形、階梯形、連續(xù)變厚度，通過有限元仿真對改善后型板分別進(jìn)行模擬型板表面溫度分布均勻性，分析得到以下結(jié)果：

1)梯形型板在突然變厚度區(qū)域存在明顯的溫度起伏現(xiàn)象，其中400 mm與600 mm尤為明顯，因此可通過對距離迎風(fēng)端30%～33.3%處進(jìn)行加厚處理。

2)階梯形型板未出現(xiàn)明顯溫度起伏現(xiàn)象，當(dāng)距離迎風(fēng)端900 mm區(qū)域加厚時，溫度均勻性達(dá)到最佳狀態(tài)，溫度方差降低近70.25%。

3)連續(xù)變厚度型板采用s∝x0.8函數(shù)關(guān)系時，型板厚度變化規(guī)律與溫度邊界層厚度規(guī)律一致，此時溫度均勻性最佳，結(jié)果表明此時溫度方差降低了84.37%。