面向大幅面cfrp制件的框架式模具设计系统关键技术研究

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1、博士学位论文面向大幅面CFRP制件的框架式模具设计系统关键技术研究毕凤阳哈尔滨工业大学2014年12月国内图书分类号：TP391.73学校代码：10213国际图书分类号：621.7密级：公开工学博士学位论文面向大幅面CFRP制件的框架式模具设计系统关键技术研究博士研究生：毕凤阳导师：刘文剑教授申请学位：工学博士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2014年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TP391.73U.D.C：621.7DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHO

2、NKEYTECHNOLOGIESOFCOMPUTERAIDEDDESIGNSYSTEMFORLARGESIZECFRPPARTSFRAMED-MOULDCandidate：BiFengyangSupervisor：Prof.LiuWenjianAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：December，2014Degree-Conferring-Insti

3、tution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要热压罐成型法是制造航空航天用高品质大幅面CFRP制件的主要方法，其制造方法的关键专用装备是框架式模具。模具的设计质量决定着制件成型尺寸、形状精度、内部质量品质，进而影响着制件的使用性能。为解决现有模具设计中主要依靠设计师经验及反复试制试验模具造成的低效率、高消耗的问题，本文在分析国内外有关树脂基复合材料制件变形过程模拟和形状控制方法、计算机辅助快速设计系统、优化设计等技术的基础上，对大幅面CFRP制件热压罐成型法用框架式模具实现设计过程的自动化、智能化、快速化进行了深入的探讨，充分利用计算机辅助建模、分

4、析、搜索等最新发展技术提高框架式模具设计的自动化水平，主要研究内容如下：在详细分析热压罐成型法工艺特点的基础上，总结了框架式模具设计要素、优化了模具设计过程。设计了由模具设计资源库、设计模板库、辅助设计工具库、设计实例库等几个部分组成的框架式模具快速设计系统总体框架，定义了系统各组成部分之间的数据接口。研究了框架式模具设计导向模板。在分析模具功能结构的基础上，划分了模具设计结构特征和设计参数，基于几何体素/边界表示法建立了框架式模具参数化快速建模系统。建立了模具结构设计、有限元分析模拟一体化数据结构，基于映射法建立了模具结构有限元网格自动划分算法，应用XML表达方式构建了框架式

5、模具CAD/CAE设计分析一体化导向模板。建立了框架式模具设计实例的表达方式，通过划分检索信息粒度，给出了框架模具设计实例的分层次检索方法，实现了基于设计实例的模具设计重用。研究了制件变形的模具型面预先补偿法。在分析了制件在制造过程中变形的组成及产生原因后，根据制件变形产生阶段和原因，将变形分为固化收缩变形和与模具相互作用导致的翘曲变形两部分。分别建立了两部分变形的模拟方法，能够较快速、准确的预测制件变形。提出了通过调整模具型面形状补偿制件变形，进而获得高精度制件的制件变形的模具型面预先补偿方法。该方法基于对制件变形的预测，通过将预测的制件变形量不断反向叠加于模具型面，调整模具

6、型面形状，最终将制件制造变形用调整后的模具型面补偿，可获得高尺寸形状精度制件。研究了基于替代模型（Metamodel）的框架式模具优化设计方法。建立了框架式模具工作过程中因受热膨胀和受压两种因素引起模具变形的模拟模型，在换热过程模拟的基础上进行了模具变形模拟。应用此模拟工具，通过单因素多-I-哈尔滨工业大学博士学位论文水平试验，对比分析了各模具设计参数对模具型面温差和变形的影响，发现模具型面厚度和支撑框架开口率是影响设计结果的敏感参数。忽略不敏感参数，建立了模具支撑结构Metamodel优化设计模型。模型可用于对框架式模具结构的高效优化设计。基于上述关键技术，开发了基于设计模板

7、导向、设计实例重用、制件变形模具型面补偿、模具支撑框架优化设计的面向大幅面CFRP制件热压罐成型用框架式模具的计算机辅助设计系统。在数据库系统的基础上利用面向对象编程语言完成了原型系统的开发，初步验证了上述各关键技术的可行性。关键词：大幅面CFRP制件；热压罐成型法；框架式模具；模具设计系统。-II-AbstractAbstractAutoclavemoldingisthemainmethodtomanufactureCFRPpartswithhighqualityandlargesizef