復合材料熱壓罐成型工藝仿真技術研究綜述

劉鳳艷

摘 要：熱壓罐成型是連續纖維熱固性復合材料的主要制件方法。在熱壓罐中生產質量穩定的復合材料的關鍵技術是選擇適當的技術參數，制定合理的技術方案。傳統的人工設計方法既耗時又不可重復使用。根據復合材料熱壓罐成型工藝的特點，在分析國內外復合材料計算機輔助成型工藝研究結果的基礎上，將基于推理的技術引入熱壓罐成型工藝設計中，使用現有設計資源并集成工藝仿真，以優化工藝開發并降低生產成本。

關鍵詞：復合材料構件;工裝設計;熱壓罐成型工藝仿真

熱壓罐是一種工藝設備，旨在滿足聚合物復合材料的成型工藝特點。使用此設備的成型方法稱為熱壓罐法。熱壓罐成型是連續纖維熱固性復合材料的主要制造方法。廣泛用于復合材料、蜂窩夾層、金屬膠接結構成型。在成型復合材料時，熱壓罐同時提供的均勻溫度和壓力使其固化，從而在表面和內部產生高質量、復雜形狀和大面積的復合材料制件。

一、復合材料熱壓罐成型工裝仿真分析

工裝是復合預成型構件的載體，在構件成型固化期間，其結構和特性會受到產品形狀質量的極大影響。工裝設計通常包含選材料選擇、結構剛度設計以及溫度分析。

1.設計工裝和優化。為了滿足工裝在鋪放、裝運、吊裝等載荷條件下的剛度和穩定性要求，傳統的支撐結構工裝設計是以設計師的技術經驗為基礎的。采用保守的安全系數法會導致工裝傳熱效率低，并在脫模后導致復合材料翹曲變形，從而直接使工裝制造成本和開發周期增加。如圖1（a）對比之下，工藝仿真分析可以重復熱壓罐成型試驗、加工參數和試驗。如圖1（b）研究人員將航空公司的實際要求結合起來，實現了快速設計和知識重用，從而開發了模塊化、統一、快速的工裝設計系統。在CATIA的基礎上，為復合材料的組成建立了向導和裝配工裝，對三維CAD軟件進行二次開發，并為模具建立了框架CAD系統。在分析模具功能結構的基礎上，開發了基于工裝幾何特征的參數化模具設計系統。一些研究人員創建了多個基于CATIA軟件的特征，這些特征基于曲面工裝的特征，并允許對不同特征曲面工裝進行參數化建模。這些模型可用于進一步模擬和優化熱壓罐工藝。盡管快速設計軟件系統部分提高了工裝設計的效率，但特征曲面的功能受到復合材料形狀曲面特征的限制，因此復雜的復合材料需要單獨的工裝設計。因此，將參數化設計軟件應用于實際工裝設計是很困難的。

2.分析工裝結構的傳熱效率和型面補償。利用工藝仿真技術研究了熱壓罐中的氣體流動和工裝的熱傳導，從支撐結構特性、工藝參數和工裝位置對復合材料成型工裝傳熱效率的影響。例如，國外學者針對熱壓罐中不同的工裝位置建立了具帶目標函數，并通過求解目標函數獲得了最佳的工裝位置。在此基礎上，開發了改進的混合整數線性規劃模型，以研究復合材料元件固化程中熱壓罐內的位置和角度。研究人員在技術仿真的基礎上，建立了復合材料熱壓罐溫度分布、工裝支撐結構特點和傳熱效率之間的關系。對機支撐板形成的三種不同風道（一型、十型、T型）下的工裝型面溫度均勻性進行了研究，表明T型風道下的型面溫度均勻性較低最好的。使用CFD軟件模擬工裝溫度場分布。將風扇加入至支撐結構，以改善工裝型面底部的氣流、提高低溫傳熱效率，并改善固化過程中復合材料元件的溫度一致性。為了提高加熱效率，在固化低溫區域安裝加熱裝置，以提高固化型面和復合材料的溫度均勻性。

二、復合材料熱壓罐成型工藝仿真

隨著復合材料成型過程仿真技術的發展，基于實際層參數、成型過程、工裝和材料約束的多物理場仿真可以確定不同條件下復合材料的溫度分布、流動密度和剩余應力分布進一步結合工藝試驗數據跟蹤或減少缺陷，如孔隙、富樹脂區、褶皺、分層等。在復合材料元件制造過程中，精確預測復合材料元件脫模后的回彈變形，并工裝型面指導補償。Siemens提出了一種基于simcenter3D的復合材料成型過程比較全面的仿真解決方案，包括對熱壓罐成型過程的復雜熱通量耦合分析、工裝纖維分析、復合材料成型過程的熱化學以及熱結構的非線性有限元分析。在ABAQUS平臺的基礎上，加拿大哥倫比亞大學開發了用于復合材料組分固化過程的商業軟件系統。該軟件提供了一種采用虛擬制造方法對熱化學樹脂流動固化應力進行集成仿真的較為復雜的技術。它通過提供有關復合材料組件內部溫度、樹脂固化、樹脂流動和修辭約束、變形分布和數據的數據，評估工藝參數和結構設計的變化對產品質量的影響。該軟件是為波音747、767和777飛機成功開發的。ESI開發了PAM-self復合材料凝固過程模擬軟件，主要用于解決熱壓罐中預浸料的氣流、傳熱和固化回彈問題。該軟件可以優化工裝結構和固化過程參數，有效地減少測試產品的數量。目前，ESI復合材料固化過程模擬軟件已廣泛應用于空客、波音等飛機制造企業。

我國航空制造技術裝備雖然發展迅速，但航空復合材料成型技術系統不完善，研究基礎薄弱，工藝模擬系統不成熟，因此很難將工裝結構、工藝參數和成型質量相匹配這導致復合材料設計制造周期長，產品合格率低，制造成本高。

參考文獻：

[1]吳霞.先進復合材料熱壓流動/壓縮行為數值模擬與工藝質量分析[D].北京：北京航空航天大學，2019.

[2]李楠偉.數字化技術在復合材料構件研制中的應用與研究[J].航空制造技術，2019（3）：32-37.

[3]高春.熱壓罐熱-流耦合數值仿真分析[J].工業爐，2019，34（4）：37-39.

[4]張忠海.熱壓罐時效成形模具溫度場優化研究[J].中國制造業信息化，2019，40（19）：30-37.

[5]林睿延.大型復合材料構件熱壓罐成型溫度分析與均勻性改善研究[J].玻璃鋼/復合材料，2019（5）：61-65.