基于型面节点的复合材料构件模具型面修正研究

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1、基于型面节点的复合材料构件模具型面修正研究韩志仁坦。杨攀2，佟刚3，项松3(1．航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳110136；2．沈阳航空航天大学航空宇航工程学部，沈阳110136；3．辽宁通用航空研究院，沈阳110136)【摘要】针对复合材料在热压罐中固化变形造成的零件尺寸误差、带应力装配、降低疲劳寿命等长期困扰航空、航天工业的问题，研究复合材料固化变形的影响因素、作用机理等，并利用基准点的位置坐标，实现两曲面间的匹配，提出变形修正的算法和切实可行的修正手段，从而在模具设计时对模具型面做相应

2、的补偿，减少试模、修模次数，实现复合材料固化变形的有效控制，达到复合材料精准制造的目的。关键词：复合材料；固化变形；型面修正；模具DoI：10．16080／j．issnl67l一833x．2017．04．016韩志仁教授。博士生导师，主要研究方向为钣金成形CAE和数字化制造技术。16航空制造技术·2017年第4期随着航空工业的发展，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，在总材料中的比例逐步提高。从国外情况看，各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的

3、重要指标之一【l】。未来将是全复合材料结构的时代，大型民机在结构选材方面，从全金属材料过渡到全复合材料是种明显的趋势。碳纤维复合材料预浸料可像布料一样剪裁，因此新的生产工序制造出的边角余料和废料都减少了，787复合材料方案解决了效率问题，使复合材料比例达到50％，因此新型飞机使用复合材料势不可挡12-51。我国在大飞机的研制中力求大量使用复合材料，但经过多年的设计试制，复合材料的使用量仍远远低于国际水平，除了设计层面的原因外，部分原因是由于复合材料制造工艺无法保证大型复合材料零件尺寸精度，造成整体装配协

4、调困难。目前国内航空企业在复合材料零件制造过程中积累了一些经验，但没有从理论上和体系上解决复合材料精准制造的问题【6】。复合材料构件固化变形涉及到碳纤维性能、树脂基体性能、模具结构、模具材料性能、固化温度场分布情况、固化制度、固化过程中的化学反应、零件结构等多种因素，各种影响因素相互作用，综合作用的结果体现在复合材料零件的变形上，因此复合材料固化变形极其复杂，很难通过单一因素控制复合材料零件的变形。如何综合考虑各种影响因素，建立综合模糊的控制函数，实现对复合材料固化变形的有效控制是我们急需解决的问题17

5、-13]。变形修正总体方案通过特定的工艺试验，获取相同工艺条件下的试验件，经过逆向处理后的点云与试验件模具曲面在对应位置处各节点的对比，获得变形规律数据，根据试验获取的变形数据，推算出复合材料产品变形规律，进而指导这一类复合材料产品的模具型面修正。修正流程如图1所示。试验数据获取对于同一类复合材料构件的生产，只要采用与试验件完全相同的成型工艺和铺层方式，修正时即可使用该数据，无需重新铺制，本文中复合材料构件的铺层方式与成型工艺都与试验件相同，故试验件获取到固化变形数据而总结出的固化变形规律才能与实际生产

6、的复材构件变形规律最为接近。根据试验件固化变形情况，最终确定将试片曲面按一定规则切分为若干截面，并在截面线上取半径、角度等参数作为变形参数，进而研究其变形规律。图2为获取试验数据过程的示意图，表1为一截面所取节点处的曲率半径以及各节点间的角度约束关系。对表l中的数据进行分析整理，可得到模具曲面与试验件曲面相对应位置处的某一特征截面上节点的对比图，如图3所示。修正方法将测量出的试验件各节点处的曲率半径、角度变化率，通过曲线拟合数值计算方法，推算其变形规律，进而作用于产品模具设计曲面，对其进行补偿修正，以补

7、偿固化过程中造成的变形误差。变形补偿流程如图4所示。具体修正过程如下：(1)以从试验件上获取到的试验数据为基础，总结出各参数的变化规律。记为：』R=f(r，，rOf1、I西=，(驴一，忆)¨7试验件H点云数据H点云曲面试验件模具H试嚣具H盎图1模具型面修正流程Fig．1Processofmouldsurfacemodification图2获取试验数据过程Fig．2Processoftheexperimentaldata表1特征截面所取节点的数据。。模具曲面上各节点试验件曲面上各节点模具曲面上节点试验件曲

8、面上节点门’7曲率半径／ram曲率半径hnm问角度，(。)I315．354l299．99149．00017．69472312．5897299．991818．000415．45773308．5840300．024626．999723．32264304．4312299．992035．999931．29195301．3706299．991345．()o()o39．34356299．5773299．991354．000l47．44207299．17