模拟技术在复合材料结构制造中的应用

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1、模拟技术在复合材料结构制造中的应用贾丽杰杨霓虹（上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所上海市闸北区场中路3115号200436）摘要:随着复合材料结构件在航空领域的广泛应用，对其制造工艺的研究也日益重要，尤其是复杂轮廓型面复合材料整体结构件的制造工艺。本文对复材结构固化过程产生的回弹变形进行了模拟分析，阐述了复合材料固化变形模拟技术在飞机结构制造中应用的必要性。关键词：复合材料固化变形模拟技术制造工艺中图分类号：TB381文献标识码：A前言复合材料（纤维增强聚合物基复合材料）在大型民机机体结构上的大量应用是现代大型民机的显著特点之一，复合材料用量占机体结构重量的百分比从空客A380的22%(

2、另有GLARE材料占3%)到波音787的50%，再到空客A350XWB的52%。这标志着，复合材料已成为现代大型民机主要结构材料，结束了以铝合金为主的机体结构时代。复合材料以其性能可设计性、结构整体成型等优点而被广泛使用，但如制造中产生严重的翘曲变形会影响外形精度和装配连接。整体复合材料结构的设计和制造是一个具有挑战性的课题，必须以先进的设计理念和数字化设计技术以及先进制造技术作为保障,而对复合材料结构制造过程中出现的变形进行控制是实现复合材料结构整体化的关键技术之一。1、固化变形机理分析复合材料固化过程本质上是一个在低热传导率、各向异性材料中进行的具有非线性内热源的固化反应过程，固化及此后

3、降温过程中产生的体积收缩会导致残余应力和变形。对于热压罐成型工艺，影响固化变形的因素可分为内因和外因两个方面：内因包括材料特征、铺层取向和几何形状等与结构设计有关的因素；外因则包括固化温度、时间、压力以及模具等与工艺过程有关的因素。不合理的结构设计可能导致复杂的结构在不同方向收缩不一而产生残余应力和变形，而优化的固化工艺及合理的模具设计可有效地减少残余应力，从而达到控制结构在固化过程中变形的目的。内因引起的固化变形在文献[1]中有详细的描述，主要概括为复合材料铺层方向导致的结构各向异性，树脂收缩产生的变形。外因中主要是模具热胀系数不匹配导致的固化变形。在复合材料制造过程中，常用的模具材料为铝

4、合金、钢和镍合金等。由于复合材料制件与模具材料的热胀冷缩不匹配，在复材制件结构垂直于模具表面方向产生应力梯度。下面以复合材料平板制件在热压罐升温阶段为例分析，如图1所示[2]，在热压罐内压力的作用下复材构件紧贴模具表面，升温过程中模具与复合材料制件表面之间产生剪切应力，此剪应力表现为：与构件接触的模具表面承受压缩应力，而与模具接触的构件表面承受拉应力。模具与构件之间的相互作用从树脂基体进入粘弹性阶段开始，此时复合材料的剪切模量很低，紧贴在模具表面的铺层受到的影响较大，而远离模具表面的铺层承受的剪切力远小于靠近模具表面的铺层承受的剪切力，这样，沿构件的厚度方向就形成了一个应力梯度，该应力梯度随

5、着树脂的固化定型而残留在构件中，直至构件完成固化后，复合材料构件脱模，残余应力得到释放而使构件变形。作者简介：贾丽杰(1984-),女,北航硕士研究生,现任上海飞机制造有限公司助理研发工程师,主要研究方向为复合材料结构制造工艺、固化变形控制等;Email:jialijie527134@163.com图1复合材料件与模具之间的相互关系2、变形控制模拟技术的发展在复合材料结构应用早期，为克服固化过程中残余应力和变形所带来的种种问题，传统的方法是在经验和工艺试验的基础上，针对具体的结构，从外因的角度，对结构件的固化工艺所用模具型面进行反复的调整和补偿性修正加工，以控制变形程度或抵消变形的影响作用，

6、这种处理方法是以经验和大量的试验数据为基础的，必然要耗费大量的人力物力和时间，且结果缺乏普适性，不能适应目前的设计制造一体化的要求。随着复合材料结构件在航空领域的大量应用所带来的对其结构设计制造快速、经济的要求，大量使用模拟技术成为必然。国外复合材料应用发展起步较早，随着计算机的发展，采用计算机数值模拟复合材料固化过程，建立一套完整的固化变形分析和预测方法，改变传统设计思想和设计程序，在设计之初就考虑到结构的成型问题，比较著名的有Delaware大学复合材料研究中心针对低温聚合工艺开发的一系列复合材料模拟软件。BritishColumbia大学针对热压罐成型工艺开发的数值模拟软件COMPRO

7、[3]，是一个关于热压罐的固化工艺二维有限元码，包括热压罐和模具的特性及复合材料的特性等。空客公司在A380的制造过程中，针对复合材料结构件固化变形问题与荷兰代尔夫特理工大学联合，共同研究题为Deformationoflargecompositepanelsbycureshrinkage的项目，目的是在寻求设计阶段对固化变形的控制方法。欧盟第七框架计划(EuropeanUnionSeventhFramewor