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摘 要: 隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)其制造工藝的研究也日益重要，尤其是復(fù)雜輪廓型面復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)件的制造工藝。本文對(duì)復(fù)材結(jié)構(gòu)固化過(guò)程產(chǎn)生的回彈變形進(jìn)行了模擬分析，闡述了復(fù)合材料固化變形模擬技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用的必要性。
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 固化變形 模擬技術(shù) 制造工藝
前 言
復(fù)合材料（纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料）在大型民機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上的大量應(yīng)用是現(xiàn)代大型民機(jī)的顯著特點(diǎn)之一，復(fù)合材料用量占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的百分比從空客 A380 的 22% (另有GLARE 材料占 3%)到波音 787 的 50%，再到空客 A350XWB 的 52%。這標(biāo)志著，復(fù)合材料已成為現(xiàn)代大型民機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料，結(jié)束了以鋁合金為主的機(jī)體結(jié)構(gòu)時(shí)代。復(fù)合材料以其性能可設(shè)計(jì)性、結(jié)構(gòu)整體成型等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，但如制造中產(chǎn)生嚴(yán)重的翹曲變形會(huì)影響外形精度和裝配連接。整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，必須以先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)以及先進(jìn)制造技術(shù)作為保障,而對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中出現(xiàn)的變形進(jìn)行控制是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1 固化變形機(jī)理分析
復(fù)合材料固化過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)在低熱傳導(dǎo)率、各向異性材料中進(jìn)行的具有非線性內(nèi)熱源的固化反應(yīng)過(guò)程，固化及此后降溫過(guò)程中產(chǎn)生的體積收縮會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力和變形。對(duì)于熱壓罐成型工藝，影響固化變形的因素可分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面：內(nèi)因包括材料特征、鋪層取向和幾何形狀等與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的因素；外因則包括固化溫度、時(shí)間、壓力以及模具等與工藝過(guò)程有關(guān)的因素。不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致復(fù)雜的結(jié)構(gòu)在不同方向收縮不一而產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，而優(yōu)化的固化工藝及合理的模具設(shè)計(jì)可有效地減少殘余應(yīng)力，從而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)在固化過(guò)程中變形的目的。
內(nèi)因引起的固化變形在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)的描述，主要概括為復(fù)合材料鋪層方向?qū)е碌慕Y(jié)構(gòu)各向異性，樹(shù)脂收縮產(chǎn)生的變形。外因中主要是模具熱脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的固化變形。在復(fù)合材料制造過(guò)程中，常用的模具材料為鋁合金、鋼和鎳合金等。由于復(fù)合材料制件與模具材料的熱脹冷縮不匹配，在復(fù)材制件結(jié)構(gòu)垂直于模具表面方向產(chǎn)生應(yīng)力梯度。下面以復(fù)合材料平板制件在熱壓罐升溫階段為例分析，如圖 1 所示[2]，在熱壓罐內(nèi)壓力的作用下復(fù)材構(gòu)件緊貼模具表面，升溫過(guò)程中模具與復(fù)合材料制件表面之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，此剪應(yīng)力表現(xiàn)為：與構(gòu)件接觸的模具表面承受壓縮應(yīng)力，而與模具接觸的構(gòu)件表面承受拉應(yīng)力。模具與構(gòu)件之間的相互作用從樹(shù)脂基體進(jìn)入粘彈性階段開(kāi)始，此時(shí)復(fù)合材料的剪切模量很低，緊貼在模具表面的鋪層受到的影響較大，而遠(yuǎn)離模具表面的鋪層承受的剪切力遠(yuǎn)小于靠近模具表面的鋪層承受的剪切力，這樣，沿構(gòu)件的厚度方向就形成了一個(gè)應(yīng)力梯度，該應(yīng)力梯度隨著樹(shù)脂的固化定型而殘留在構(gòu)件中，直至構(gòu)件完成固化后，復(fù)合材料構(gòu)件脫模，殘余應(yīng)力得到釋放而使構(gòu)件變形。
2 變形控制模擬技術(shù)的發(fā)展
在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用早期，為克服固化過(guò)程中殘余應(yīng)力和變形所帶來(lái)的種種問(wèn)題，傳統(tǒng)的方法是在經(jīng)驗(yàn)和工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)具體的結(jié)構(gòu)，從外因的角度，對(duì)結(jié)構(gòu)件的固化工藝所用模具型面進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和補(bǔ)償性修正加工，以控制變形程度或抵消變形的影響作用，這種處理方法是以經(jīng)驗(yàn)和大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，必然要耗費(fèi)大量的人力物力和時(shí)間，且結(jié)果缺乏普適性，不能適應(yīng)目前的設(shè)計(jì)制造一體化的要求。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在航空領(lǐng)域的大量應(yīng)用所帶來(lái)的對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造快速、經(jīng)濟(jì)的要求，大量使用模擬技術(shù)成為必然。
國(guó)外復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展起步較早，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬復(fù)合材料固化過(guò)程，建立一套完整的固化變形分析和預(yù)測(cè)方法，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)程序，在設(shè)計(jì)之初就考慮到結(jié)構(gòu)的成型問(wèn)題，比較著名的有 Delaware 大學(xué)復(fù)合材料研究中心針對(duì)低溫聚合工藝開(kāi)發(fā)的一系列復(fù)合材料模擬軟件。British Columbia 大學(xué)針對(duì)熱壓罐成型工藝開(kāi)發(fā)的數(shù)值模擬軟件 COMPRO[3]，是一個(gè)關(guān)于熱壓罐的固化工藝二維有限元碼，包括熱壓罐和模具的特性及復(fù)合材料的特性等。空客公司在 A380 的制造過(guò)程中，針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化變形問(wèn)題與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)聯(lián)合，共同研究題為 Deformation of large composite panels by cure shrinkage 的項(xiàng)目，目的是在尋求設(shè)計(jì)階段對(duì)固化變形的控制方法。歐盟第七框架計(jì)劃(European Union Seventh Framework)中提出關(guān)于復(fù)合材料的航空科研項(xiàng)目 MAAXIMUS,此項(xiàng)目研究中的重要一項(xiàng)是建立飛機(jī)制造過(guò)程的虛擬模擬平臺(tái)，在生產(chǎn)制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行虛擬模擬計(jì)算。
在熱壓罐成型過(guò)程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化工藝的主要工藝參數(shù)包括溫度、升降溫速率和壓力。結(jié)構(gòu)件幾何尺寸、材料體系、固化工藝參數(shù)均不同程度影響構(gòu)件終成型質(zhì)量, 選取合適的工藝參數(shù)是熱壓罐成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于影響因素眾多, 采用實(shí)驗(yàn)方法確定工藝參數(shù)有一定的局限性。采用數(shù)值模擬方法分析各種因素對(duì)成型質(zhì)量的影響, 對(duì)選取合理工藝參數(shù)、節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用等具有重要意義。大型復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形模擬技術(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的重要紐帶，是設(shè)計(jì)/制造一體化的核心技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)高精度高質(zhì)量大型構(gòu)件制備的重要技術(shù)手段，尤其在我國(guó)大型復(fù)合材料構(gòu)件制備經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，通過(guò)數(shù)值模擬方法進(jìn)行虛擬的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本的要求。
3 應(yīng)用舉例
對(duì)于熱壓罐成型結(jié)構(gòu)件，考慮復(fù)合材料成型過(guò)程的物理和化學(xué)特性，通過(guò)模擬分析影響結(jié)構(gòu)固化變形的因素，既可以找到各因素間的相互關(guān)系和影響趨勢(shì)，也可以按照結(jié)構(gòu)終幾何要求設(shè)計(jì)佳制造工藝，達(dá)到控制變形的目的。作者曾采用有限元軟件 ABAQUS 對(duì) L 形結(jié)構(gòu)件在熱壓罐固化制度中的降溫階段的回彈變形進(jìn)行了模擬計(jì)算[4]，主要分析討論影響變形的內(nèi)因：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)回彈變形的影響。結(jié)構(gòu)材料為 Hercules 公司 AS4/3501-6[5]預(yù)浸料，為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，計(jì)算中沒(méi)有考慮模具的影響。L 形結(jié)構(gòu)件的有限元模型如圖 2 所示。
為分析結(jié)構(gòu)的不同鋪層方向?qū)χ圃爝^(guò)程中回彈變形的影響，比較了 L 型結(jié)構(gòu)的[0]8，[0/45/90/-45] 2s及[90]8三種鋪層情況，結(jié)果如圖 3 所示，可見(jiàn)不同鋪層方向?qū)貜椊堑挠绊戄^大。出現(xiàn)這樣的變化趨勢(shì)的原因是不同鋪層的層合板 L 形構(gòu)件在拐角處的徑向及周向熱應(yīng)變及曲率收縮應(yīng)變不同。對(duì)[0/45/90/-45]2s種鋪層，改變 L 形結(jié)構(gòu)件的厚度,模擬回彈角度的變化，結(jié)果如圖 4 所示，可見(jiàn)厚度的改變對(duì)回彈角的影響也很明顯，隨著厚度的增加，回彈角變小。同樣地，改變此種鋪層的 L 形構(gòu)件的拐角半徑,模擬回彈角度的變化，結(jié)果如圖 5 所示，隨著拐角半徑的增加回彈角增大，但增大的數(shù)值不很明顯。說(shuō)明拐角半徑的改變對(duì)回彈角的影響不大。
由以上分析可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)固化變形影響因素參數(shù)的模擬計(jì)算，可得到各參數(shù)對(duì)固化變形影響的趨勢(shì)和程度；在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段對(duì)固化變形的影響因素進(jìn)行分析，可以為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支持，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造階段對(duì)固化變形的影響變形因素進(jìn)行分析，可以指導(dǎo)固化工藝參數(shù)的調(diào)整，減少試驗(yàn)數(shù)量，節(jié)省人力財(cái)力。因此通過(guò)在復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造階段應(yīng)用模擬技術(shù)，可以對(duì)固化變形進(jìn)行合理有效地控制。
4 展望
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)論從原理上，還是從目前空客公司、波音公司已經(jīng)取得的研究成果上來(lái)看，都證明是可行的，而且也達(dá)到了初的目標(biāo)：縮短研制周期,降低生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體化和設(shè)計(jì)/制造一體化。因此模擬技術(shù)是進(jìn)行變形預(yù)測(cè)及控制的有效途徑，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程的應(yīng)用前景廣闊，但是其應(yīng)用的基礎(chǔ)是兼顧各類變形因素的計(jì)算方法的建立以及合理的模擬流程的開(kāi)發(fā)，并利用試驗(yàn)結(jié)果修正模擬技術(shù)，才能在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中達(dá)到控制變形的目的。