先进复合材料热压罐成型固化仿真技研究进展

热压罐成型工艺是航空航天领域用复合材料构件的重要制备方法之一,工艺过程涉及热和压力在多相材料体系间复杂的相互作用,并影响复合材料成型质量.在物理化学作用机理研究基础上,建立数值模拟方法可有效指导工艺、工装的设计与优化,为先进复合材料研制模式从传统的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.综述近年先进树脂基复合材料热压罐成型工艺数值模拟方面的主要研究进展,结合国内外研究现状,对热压罐成型工艺数值模拟的发展趋势及亟需解决的问题提出了几点思考.     

某大型飞机复合材料壁板工艺仿真及验证技术

热压罐固化成型是制造复合材料的常用方法,固化期间罐内温度分布变化以及模具与复合材料构件之间的热不匹配、柔性模具的低热导率等因素导致制件内部不可避免的产生温度梯度以及残余应力,从而影响材料的使用性能。大尺寸曲面帽型壁板采用复合材料热压罐工艺成型,根据热压罐的工作原理,针对复合材料构件热压罐成型过程中温度场分布和固化变形等问题,进行了仿真分析,通过对比制件温度场分布和固化变形仿真计算结果以及全尺寸零件的实际验证结果,验证了预测方法的正确性。分别利用成型工装和检测型架改进优化以及制造过程优化来控制构件固化变形,使其形状满足产品尺寸的精度要求,证明根据工艺仿真计算结果以及工艺过程改进,可以对大尺寸曲面帽型壁板在制造工艺过程中出现的变形回弹及残余应力水平进行预估和最大限度的减小,实现复合材料结构设计和制造的一体化,提高制件的成型质量。     

先进复合材料热压罐工艺成型过程压力监测技术

热压罐工艺是航空航天领域生产高性能复合材料构件最重要的方法,如工艺控制不利可能导致制件存在纤维架桥、屈曲、孔隙、分层、变形等缺陷,从而影响复合材料表面质量、力学性能以及可靠性。热压罐工艺过程压力监测技术,可为模具设计、工艺优化、缺陷形成机制分析提供有利的试验手段,提升复合材料成型制造技术水平。文中系统总结了复合材料热压罐成型工艺过程纤维、树脂、预浸料叠层承压测试方法及其适用性。     

民机复合材料制造成本分析与控制

在追求先进性和经济性的过程中,越来越多的复合材料在各类民机主承力或次承力结构上得到应用,然而复合材料高昂的制造成本成为其进一步扩大应用的重要阻碍. 针对复合材料的成本控制,国内外提出了复合材料低成本制造工艺,大多为非热压罐成型工艺,包括液体成型(LCM)工艺等.但液体成型工艺由于技术成熟度等原因,在民机领域的应用还需开展进一步的研究和验证工作.因此,全球航空制造业迫切需要对于现有热压罐成型工艺进行改进,研究如何降低复合材料制造成本,实现复合材料性能与成本的平衡.     

热压罐成型复合材料复杂结构对制造缺陷的影响规律

 飞行器复合材料种类多、结构形式复杂,制造缺陷种类、形成机制及影响因素也较为复杂。基于大量复合材料制件无损检测数据的统计结果,分析了热压罐成型工艺中常见缺陷的类型,揭示了复合材料复杂结构对制造缺陷的影响规律,初步分析了缺陷的产生机制。结果表明,分层、气孔和孔隙是热压罐成型工艺中比例较高的3类缺陷,复合材料制件结构的复杂性直接影响缺陷的出现比例,复合材料制件的几何特征和成型工艺对制造缺陷的影响规律较为明显。研究结果对制造缺陷的控制及复合材料制件结构设计具有重要的指导意义。     

硅橡胶热膨胀模具设计与纵横加筋壁板成型质量分析

 采用闭模硅橡胶热膨胀工艺和硅橡胶辅助热压罐工艺,制备了碳纤维复合材料纵横加筋壁板,分析了2种工艺成型过程的特点及其对成型质量的影响。进一步考察了硅橡胶辅助热压罐工艺下工艺间隙、硅橡胶厚度和金属模块定位对制件密实状态和尺寸精度的影响。结果表明:相比闭模热膨胀工艺,所采用的硅橡胶辅助热压罐工艺及其模具方案更适合于成型纵横加筋壁板;热压罐工艺应按照硅橡胶自由膨胀的方式来设计工艺间隙;硅橡胶的厚度对密实质量影响较小,但厚度越大温度不均匀性越明显;热压罐工艺中采用金属模块定位的方法可以明显提高加筋肋交汇处的尺寸精度和密实质量。研究结果对复合材料格栅结构制造质量控制技术的发展具有指导意义。     

树脂基结构复合材料的研究进展

主要介绍了国内外树脂基结构复合材料及其成型工艺的发展现状,详细讨论了环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯和聚酰亚胺复合材料以及模压、热压罐和RTM工艺,针对轻量化和低成本制造要求,提出了结构复合材料发展建议。     

热压罐温度场分析与影响因素研究

热压罐固化成型是制造复合材料的常用方法,固化期间工装表面不均匀的温度场分布会使材料产生残余应力,从而影响材料的使用性能.翼梁采用复合材料热压罐工艺成型,根据热压罐的工作原理,建立了热压罐固化过程温度场模拟的有限元模型,分析了工装表面温度场的分布特点,给出了不同位置的温度曲线.研究了不同因素对工装表面温差的影响.计算结果表明,提高罐内气流流速、增大升温速率、选用低比热容与高热导率的工装材料能够减小工装表面的温差,有利于提高复合材料的成型质量.     

碳纤维复合材料U形构件角度收缩及模具补偿研究

以两侧翼缘板高度不一致的碳纤维复合材料U形构件为研究对象,分别利用热压罐成型工艺和VARIM工艺制备了该U形构件,通过测量U形构件的外形角度,来研究这两种工艺所制U形构件的外形角度收缩情况,并根据试验结果优化设计了U形构件模具的补偿角。研究表明,通过热压罐成型工艺和VARIM工艺制备相同规格的U形构件时,所制构件的外形角度收缩程度不同。在设计U形构件模具的补偿角时,不能将不同成型工艺下的模具一概而论,要针对成型工艺的特点区别对待。此外,对于两侧翼缘板高度不一致的U形构件,不管通过何种工艺制备,高翼缘板侧的角度收缩程度比矮翼缘板侧的角度收缩程度小,在设计U形构件模具的补偿角时不可忽略此特征。     

树脂基复合材料热压成型工艺数值模拟研究进展

针对树脂基复合材料热压成型工艺过程,以构件成型所需的温度场和压力场两个影响构件成型质量的主要因素为主线,从有限元数值模拟方面,对树脂基复合材料热压成型工艺的研究现状及存在问题进行了综述。