数值模拟技术在热压罐工艺中的应用

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1、徐鹏，晏冬秀，杨青，贾丽杰，魏冉，孙晶晶(上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所，上海200070)【摘要】随着复合材料和计算机技术的发展，数值模拟技术在复合材料．．v--艺4h-真中的应用也日益明显。总结分析了数值模拟技术在复合材料热压罐工艺中的研究进展，包括热压罐内流场仿真、固化放热控制、固化变形预测，以及热隔膜成型过程仿真的应用前景。随着大数据和复合材料自动化、智能化的发展，发展数值模拟技术是大势所趋。关键词：数值模拟；热压罐工艺；流场；固化；变形预测DOI：10．16080／j．issnl671-833x．2016．13．089徐鹏工程师，博士。从事民用飞机

2、复合材料研发。主要研究方向为碳纤维增强数值基复合材料工艺过程仿真技术研究、热固性复合材料热隔膜预成型工艺。碳纤维增强树脂基复合材料以其高比强度、高比模量以及高耐腐蚀性等优点，成为民用飞机重要的结构和功能材料。热压罐成型工艺是制备高性能复合材料的主要方法，因具有成型构件质量高、工艺稳定可靠、适用范围广、模具相对比较简单等特点，已在航空航天领域广泛应用‘”。在热压罐工艺中，工艺参数和工装设计直接影响零件的最终质量：工装导热能力影响零件温差，并对固化变形造成影响；固化制度影响零件的固化历程，并最终影响零件的性能；由于树脂的固化特性，一般需要对工装进行补偿，保证零件精度；对

3、于梁和长桁类大长细比的零件，为了提高制造效率，一般采用自动铺带配合热隔膜预成型，热隔膜工艺参数影响零件R区质量。复合材料在整个生产过程中的参数优化是保证零件质量和适用安全的前提。随着民机复合材料在民机上的占比增加，零件的尺寸越来越大，结构越来越复杂，新的制造工艺也不断涌现。使用经验或试验试错法进行研究不仅成本高、耗时长，而且难以针对特定结构进行参数优化。为了机体结构减重，复材零件大量采用共胶接、共固化等工艺，减少紧固件重量，造成复合材料零件单件成本升高，采用试验方法的风险大幅提高‘21。随着计算机技术的突飞猛进，制造过程的数值模拟仿真技术也蓬勃发展。数值模拟能够对复

4、合材料热压罐工艺过程和最终零件外形质量进行预测分析，大幅减少试验次数，降低研发成本、缩短研发周期，采用仿真手段能够大幅减少材料和能源消耗，实现复合材料的绿色制造。国内CFx寸复合材料成型过程的数值模拟技术进行了一些研究，取得了良好的进展，能够对一些结构进行工艺仿真和优化，提高产品质量和工艺稳定性。近年来，随着复合材料智能化制造、大数据制造技术的发展，采用计算机仿真技术更是大势所趋。2016年第13期·航空制造技术89热压罐流场仿真热压罐是加工复合材料的重要工具，采用气流传递热量、合理流场分布是保证零件固化质量的前提”l。对于尺寸较大的零件，如果气流分布不佳，会导致工

5、装和零件上存在较大温差，造成零件同化历程不同步，影响零件的最终质量。如果采用试验研究，对于同一零件往往需要进行多次试验，分析热分布规律，这对于大尺寸复杂零件来说成本过高。不同型号热压罐、不同摆放位置和不同工装设计都会对温度分布造成影响，并且试验方法只能对已经完成制造的工装热分布采取拯救式改善，而无法在设计之初就对工装结构提出优化方案。数值模拟方法能够完美解决这一问题，随着计算流体力学的发展，罐内温度场的仿真模型不断完善。李先聚等4l使用Comsol软件分析了罐门结构对罐内流场的影响。林家冠等15l对热压罐内的流动场和温度场进行了分析，并提出通过在工装特定区域安装风扇

6、的方式解决流场和温度分布问题。白光辉等旧I对大型复杂框架式模具的传热过程进行分析，给出了复合材料固化过程中框架式模具表面温度场分布规律，并进行试验验证，提m了大型框架式模具的设计方法。热压罐T艺中，主要涉及罐内空气和模具、复合材料以及辅助材料之间的热交换过程，涉及到流动传热和流固耦合，一般使用流体力学的准则进行求解，包括连续性方程(质量守恒方程)、动量方程和能量守恒方程。(1)连续方程。至Ot+diV∞u)=0，其中，P为流体质量密度，U为流体的速度矢量。(2)动量方程。在动量守恒方程中，引人Newton切应力公式及Stokes的表达式，可得90航窄制造技术·201

7、6年第13期3个速度分量的动量方程：f百a(pu)+diV(p㈣=div(qgrad“)+}器{掣+div(p㈣=div(r／grad小s，一考，【掣+div(pwU)=div(俘adw)+5。一等其中，玎为流体动力黏度，P为流体压力，S．、Sv、氐，为3个动量方程的广义源项。(3)能量方程。由能量守恒定律，再引入导热Fourier定律，可得出用流体比焓h及温度丁表示的能量方程：O(ph)．0(puh)．0(pvh)。a(pwh)afaxa)，az=一pdivU-I-div(AgradT)+≯+S^，其中，h=h(P，T)，与流体压强和流体温度相关；A是流体的导