浅析先进复合材料热压罐成型固化仿真技术研究进展

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1、浅析先进复合材料热压罐成型固化仿真技术研究进展先进树脂基复合材料因具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐腐蚀、抗疲劳、易于整体成型等优异的综合性能，广泛应用于航空、航天等领域。热压罐工艺是航空航天飞行器用复合材料的重要制备方法之一。复合材料热压罐成型工艺中热压罐内高温高压气体作用下复合材料和复合材料构件同时成型，工艺过程中复合材料涉及热和压力在多相材料体系即工装、模具、辅助材料、纤维与树脂复合体系等之间复杂的相互作用，当材料类型及复合材料构件形式等改变后，工装、模具、工艺参数等往往需要重新设计优化。传统的试错法研发模式从试样到缩比件到试验件需要

2、经过反复多次试验，研究费用高，复合材料制造质量的可控性差，制件合格率低，制约复合材料研制效率和应用。　　美国政府和波音公司在2001~2004年共同实施快速插入复合材料(AIM-C)计划，在充分的应用基础研究前提下，建立新材料或已有材料新应用的设计知识库，采用数值模拟技术改进传统积木式验证分析方法，提高验证分析效率，支撑新型树脂基复合材料在飞行器结构上的快速、可靠应用，缩短复合材料应用时间40%~50%，降低成本33%。中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司开展了数字化技术在复合材料构件研制中的应用研究，旨在建立复合材料构件从设计、制造、检测等

3、过程的数字化设计、制造一体化体系，实现复合材料研制过程的仿真和数字量传递，提高研制效率。高效质量可控的树脂基复合材料构件制备的关键在于工艺、工装及模具等方案的优化，在工艺过程物理化学作用机制基础上，建立数值模拟方法，深入分析各种因素对复合材料成型质量影响规律，揭示缺陷形成机制，基于数值模拟技术的复合材料构件虚拟制造可为工装、工艺设计与优化提供依据，为先进复合材料研制模式从传统的试错或积木式验证向数字化制造模式转变提供了有力的技术支撑。　　复合材料热压罐成型固化仿真技术　　热压罐成型工艺原理，根据热、压力传递特点，可以归纳为热压罐内压缩气体与固体

4、材料之间的交互作用和纤维与树脂复合体系内的物理化学作用，而纤维与树脂复合体系内部物理化学作用可分为热传导/固化反应行为和树脂流动/纤维密实行为。热压工艺树脂流动/纤维密实过程是树脂流动与纤维多孔介质骨架结构变形的耦合作用，区别于不可压缩多孔介质内渗透流动，一方面树脂流动性受温度和树脂固化反应的影响;另一方面树脂流动与纤维密实影响孔隙、富树脂等缺陷的形成。热化学过程决定着树脂黏度、树脂固化反应程度，影响着树脂流动以及残余应力和固化变形等。而工装模具、辅助材料直接影响热压罐压缩气体作用在纤维与树脂复合体系的热和力。国内外学者针对复合材料热压罐成型固

5、化过程物理化学作用开展了大量研究，旨在建立有效的数值模拟方法，指导新材料、新结构的工艺、工装设计与优化。　　1热压罐气体与固体材料之间交互作用仿真　　在复合材料热压罐成型工艺过程中，大型框架式模具的温度分布受到罐内气体热交换、模具本身结构、复合材料固化放热和工艺辅料传热特性等多种因素的影响，工装模具温度均匀性直接影响复合材料构件温度均匀性和固化变形等成型质量，工装模具温度场的预测对于指导大型框架式模具设计具有重要意义，因此，热压罐内模具温度场仿真也已受到学者的广泛关注。目前，大多采用流体计算软件如Fluent、CFX、ACE等，针对热压罐内气体

6、、工装、复合材料构件等材料内部温度分布规律开展数值模拟分析。热压罐有效尺寸均为工业用大型热压罐，如φ2.5m7m、φ5.5m13m、φ4.5m15m，工装以典型的框架式结构为主，复合材料制件形状包括曲面蒙皮、变厚度蒙皮加筋结构。　　主要原理是基于计算流体力学中连续、运动、能量方程，建立热压罐内强迫对流换热的温度场三维非定常数值模拟方法，模拟热压罐内模具的温度分布，并可以对固化工艺参数、模具结构参数和模具摆放位置等因素进行研究，优化热压罐以及构件内部温度分布情况。根据仿真分析对象不同，可归纳为如下几种情况：　　(1)在无工

7、装情况下热压罐内气体温度分布仿真。高玉峰等针对热压罐空载温度场进行分析，结果表明测量点的仿真计算温度在实际测量值-4.5~+2.5℃的正负偏差之间，仿真数据同现场实测数据非常接近，验证了仿真方法用于判断热压罐设计是否满足要求的有效性，同时，表明在空载情况下热压罐内温度分布较均匀。　　(2)在仅含工装情况下热压罐内工装温度分布仿真。张旭生等基于Fluent软件，针对一字型、十字形、T型3种不同风道结构对框架式模具温度分布进行模拟，指出T型风道对改善温度场均匀性效果最优，模具型面温差为2.09℃。林家冠等利用Fluent软件提供的内部风扇边界条件，

8、模拟框架式模具风道处风扇对模具温度分布的影响，结果表明框架式模具通风口处安装风扇可改善热压罐内流场的均匀性。　　(3)含有模具和复合材料构件的热压罐内