大型复杂双曲率复合材料构件固化变形关键问题分析

复合材料具有优越的材料性能,但也随之带来材料固化变形的弊端。针对复合材料构件固化成型后的变形问题,以复合材料实物构件为研究对象,通过测量手段获得变形数据,进行补偿修正。并对测量系统的建立、测量基准以及固持模式的选择、补偿模型快速重构等多个测量瓶颈问题进行展开论述。     

复合材料C/L型结构固化变形的影响因素分析

固化变形是影响复合材料零件结构成型几何精度的重要因素。产生固化变形的原因一般可以分为内因和外因:内因主要与材料属性和结构设计参数有关;外因主要与固化工艺和模具有关。固化时这些因素共同作用,在复合材料结构内部产生残余应力,脱模时导致构件发生变形。通过对已有试验结果的研究,总结了不同因素对复合材料结构固化变形的影响,为固化变形的工程预测和控制提供直观的数据参考。     

模具形式对V型结构复合材料固化变形的影响

复合材料在热压罐成型过程中由于发生不可避免的物理化学变化,将会发生固化回弹变形导致尺寸偏差。V型结构普遍用于飞机外表面,研究模具形式对V型结构复合材料固化变形的影响,可有效保证复合材料成型精度,减少装配难度。本文通过建立有限元分析模型以及设计典型结构试验件相结合的方式,分析模具形式对V型结构复合材料固化变形的影响。结果表明:变形预测与试验结果误差在5%内,V型复合材料阳模成型比阴模成型的变形要大10%～15%,其变形回弹量趋势与拐角角度、制件厚度成反比,阳模成型时其回弹与拐角半径成正比。     

U型复合材料结构件热压罐固化变形及补偿技术应用研究

以复合材料U型构件为研究对象,采用数值模拟的方法对U型件进行热压罐温度场的模拟,模拟出在不同时间段工装和工件的温度分布情况,模拟工件在工装传热和变形影响下的内部传热、固化度、最终变形情况和残余应力水平等。根据模拟结果,优化热压罐固化工艺参数,从而改善固化热变形问题,根据分析结果制定补偿方案并实施验证,同时优化工装结构形式,采用工装型面补偿技术对零件固化变形进行预补偿。结果表明,补偿后零件变形后的外形与理论几何外形相差1.37mm,验证了补偿技术的可行性。工装型面补偿技术可以有效提高复合材料结构件的制造精度。     

基于路径相关本构模型的大型薄壁曲面复合材料零件固化变形分析

大型薄壁曲面复合材料零件多采用热压罐工艺成型,在固化过程以及脱模过程会产生变形,导致零件变形超差,部件装配困难。针对此问题,本文首先采用路径相关本构模型对其固化成型过程进行分析,然后进行热压罐成型试验验证理论分析结果,就此采用反向补偿法修正模具型面。仿真结果表明,某大型薄壁曲面复合材料零件成型后最大位移为11.121 mm,最小位移为0.171 mm,分别发生在对称轴方向短边的边角点和靠近对称轴方向短边的边角点;零件在变形较大的两侧边和短边处残余应力较大,与变形较小的长边相差7 MPa左右。仿真结果与试验结果吻合良好,固化变形平均误差为8.6%。使用补偿后的模具再次进行固化变形仿真,使该零件的最大固化变形降低了70.8%。     

多型面复合材料支架成型技术

阐述了一种多型面复合材料支架整体成型技术,重点对工艺方案、模具设计、铺层工艺优化设计、固化方式进行了探究。结果表明:采用一体化成型方案,能够实现一种多型面复合材料支架的成型。通过工艺研究,突破了组合式模具设计,对称、阶梯过渡的铺层,真空辅助硅橡胶加压关键技术。产品具有较优的成型质量、尺寸精度及力学性能。复合材料制件内部无分层、疏松、孔隙等缺陷,纤维体积分数可控制在(60±3)%,孔隙率测试值均低于1.0%。产品安装面平面度优于0.3 mm,角度公差在±0.1°范围内。随炉试件力学性能高于设计指标,满足用户使用要求。     

热压罐成型复合材料加筋壁板构件固化变形分析

针对热固性复合材料存在较为严重的固化变形问题,通过数值分析的方法对热固性树脂基复合材料加筋壁板的固化变 形进行研究。选取热压罐成型复合材料加筋壁板构件做为研究对象,建立了热固性树脂基复合材料反应动力学模型、热压罐内复 合材料温度场和固化变形场的时变模型,利用ABAQUS有限元分析软件Heat transfer模块计算热传递、General static模块分析变形 场,计算分析温度、压力等典型工艺参数对T型加筋壁板固化变形的影响。结果表明：升温速率取3 K/min,罐内压力取0.4～0.6 MPa,即可满足制件的加工精度要求也能够满足经济性要求;保温温度的提高和保温时间的延长均导致了本例固化变形的减小; 双平台固化的结果不如单平台固化的;铺层一致性越高,对称性越好,固化变形越小。     

基于ABAQUS的混杂纤维增强复合材料固化变形模拟

针对混杂纤维增强复合材料固化变形问题,以两种纤维增强双马树脂基复合材料为研究对象,建立了一种基于ABAQUS的混杂纤维增强复合材料固化变形预测模型。大尺寸(500 mm×500 mm)平板固化变形实验结果表明,建立的有限元数值模拟计算方法能够较准确的预测混杂纤维增强复合材料固化变形的变形趋势和最大变形量,最大变形量测算误差约为10%~15%。     

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。     

复合材料液体成型固化监测技术研究进展

复合材料制造工艺的复杂性和分散性容易导致复合材料在固化过程中出现空隙、干斑、分层、翘曲变形等缺陷或损伤,从而严重影响复合材料的质量。对固化过程进行实时原位监测是控制和提高复合材料成型质量的重要手段。以液体成型工艺(LCM)为背景,首先分析了复合材料固化过程及其需要监测的物理量,然后重点论述了光纤方法、超声方法、电学方法和热学方法等复合材料固化监测技术的研究进展,最后讨论了复合材料固化监测的发展趋势和面临的挑战。     

模具表面状态对复合材料构件固化变形的影响

为查明不同模具表面状态下的复合材料构件应变演变规律及其对固化变形的影响,采用热电偶和光纤光栅传感器对不同模具表面状态下的复合材料构件在热压罐成型工艺过程中的温度和应变进行在线监测,获得不同模具表面状态下构件应变的变化规律。结果表明:升温阶段脱模布的使用能够有效屏蔽模具-构件界面相互作用,使构件在升温阶段的应变很小。三层脱模剂模具表面条件下构件中的应变明显小于一层脱模剂;降温阶段三种实验条件下在构件中都出现了较大的压应变,其中一层脱模剂模具表面状态下模具-构件相互作用力最大,在固化工艺完成后构件发生翘曲变形,且翘曲变形以沿纤维方向为主。     

碳纤维增强热塑性复合材料盒形件热冲压成型研究

碳纤维增强热塑性复合材料型材传统成型工艺存在操作复杂、成型效率低、成本高、不适合大批量生产等问题,限制其在航空航天领域的大规模应用。为改善成型工艺,提出一种采用模具直接加热纤维增强复合材料板的热冲压成型方法,通过板料拉伸试验和盒形件热拉深成型试验,研究纤维铺向工艺参数以及分析成型过程中试件纤维变形,得出极限拉深深度及成型极限剪切角。针对纤维编织复合材料盒形件热冲压成型,建议采用坯料纤维经纬方向与模具直边平行的放置方式。     

复合材料制造过程仿真技术综述

复合材料制造过程仿真技术的有效应用可以在复合材料构件设计之初对其制造过程中可能出现的缺陷,如分层、孔隙、温度不均、变形等问题进行预测,从而为优化构件结构、调整工艺参数或模具型面提供依据。对目前复合材料设计制造领域常用的一些软件进行简要介绍,并针对目前复合材料制造过程温度场分布和固化变形仿真技术中存在的问题进行了阐述与讨论。     

航空复合材料构件精确制造技术探讨及应用

随着军用航空器对作战效能比和民用航空器对燃油经济性要求的不断提升,以碳纤维增强树脂基复合材料为代表的轻量化高性能材料得以在航空器上广泛应用。国内外许多专家、学者对树脂基复合材料构件制造过程进行了大量的研究。复合材料成型工装制造时,应减少支撑块,并使用Invar钢制造的成型工装来提高复合材料构件的制造精度。在复合材料构件成型时,过低的固化压力会造成复合材料构件内部缺陷,低的升温速率和降温速率能够减少温度梯度对复合材料构件变形的影响。通过对工装补偿和优化成型工艺参数来实现盆形零件的精确制造。     

3232树脂预浸料的贮存试验研究

针对3232中温固化环氧树脂树脂预浸料,观察了室温和低温(-18℃)贮存时间对其物理和力学性能的影响,结果显示,随着贮存时间的延长,与树脂固化相关的预浸料物理性能均发生了变化,并对复合材料的成形工艺产生影响.与室温贮存相比,低温贮存时对各项性能的影响明显减缓.     

曲面型遮光罩的研制

介绍了一种曲面型蜂窝夹层结构遮光罩的研制技术,基于遮光罩的结构特点和技术要求,重点对材料选择、工艺方法、模具设计、技术难点及解决措施进行了讨论。结果表明:按照由内到外的胶接顺序采用两步固化工艺,能够解决曲面型遮光罩的成型问题,并满足各项设计要求。     

钛合金板料热压弯过程数值模拟

采用有限元软件ABAQUS对Ti-6Al-4V合金板料热压弯成形过程进行了模拟,分析了应力应变分布规律和工艺参数对成形过程的影响。研究表明,压弯过程的变形主要集中在大厚度区域中间位置;当板料表面与模具多点接触后,板料由自由弯曲变为校正弯曲,成形力急剧增大;保压600s时板料最大回弹量和上模成形力分别降低84%和94%。在相同工艺条件下的试验结果验证了有限元模拟的准确性。     

先进树脂基复合材料固化过程的铺放缺陷演变规律研究

以纤维皱曲此类典型铺放缺陷为研究对象,研究了预浸料-热压罐工艺过程中复合材料铺放缺陷的演变规律,并对其固化后成形质量及力学性能进行对比分析。研究表明:较短预浸料铺贴及适中的固化压力,有利于提高固化过程中纤维顺应性及试件平整性,可有效弱化纤维皱曲此类铺放缺陷;本实验条件下,70mm复合材料试片在0.4 MPa固化压力下对铺放缺陷的改善效果相对最显著,固化后试片可获得相对较高的力学性能。