大型复合材料构件热压罐成型温度分析与均匀性改善研究.pdf

２０１５年第５期玻璃钢／复合材料６１大型复合材料构件热压罐成型温度分析与均匀性改善研究林家冠，杨睿，王廷霞，詹东（大连理工大学机械工程学院，大连１１６０２４）摘要：利用Ｆｌｕｅｎｔ流体分析软件，对航空复合材料构件热压罐成型工艺的温度场和流场特性进行了模拟分析，并通过在框架式模具通风孔处安装风扇的方法来增强热空气对流，改善热压罐内流场和模具温度场的均匀性。计算结果表明，合理地布置风扇在模具通风孔中的位置和控制风速，可以调整框架式模具内部区域流场分布，使模具表面的温度场更均匀，对于改善大型复合材料构件固化均匀性具有重要意义。关键词：复合材料；流场；温度场；均匀性；仿真———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１５）０５００６１０５１引言热压罐成型技术是研究和制造航空树脂基复合材料构件的主要方法之一ｌ】Ｊ。现代航空复合材料结构设计为了提高结构的效率和可靠性，减少结构零部件的数量，采用整体设计与整体制造技术。例如波音７８７的机身结构采用直径５．８ｍ的成型模胎成型，并使用热压罐固化Ｊ。大尺寸且结构复杂的复合材料构件和框架式模具在热压罐中会导致罐内的流场和温度场不均匀，再加上复合材料固化放热，内部会产生复杂的温度梯度，导致结构变形。因此，研究复合材料构件在热压罐成型工艺中的温度分布有重要意义。近年来，国内外的学者对热压罐成型温度场做了大量的研究。Ｇｎｉａｔｃｚｙｋ¨５提出将复合材料成型模“”具做成蛋箱框架式模具，这样有利于模具型面温度均匀性。ＬｏｏｓａｎｄＳｐｒｉｎｇｅｒ推导了单向环氧复合材料平板的一维热．化学模型，指出当层合板厚度大于１．２７ｃｍ后，会出现较大的温度梯度。ＢｏｇｅｔｔｉＪ采用二维有限元方法模拟了层合板的固化，考虑了热传导和固化动力学耦合，能够较好地预测截面方向温度、固化度与环境温度的影响。Ｐａｒｋ等利用三维有限元方法对复合材料结构固化过程进行仿真，并指出该方法可有效计算有限元节点中任意一’点的温度和固化度。国内的李君等ｍ通过解析法推导了复合材料层合板结构件固化过程中的温度场分布函数，并计算出内部应变场分布。岳广全等＿１ｌ＿综述和分析了影响残余应力和变形产生的各种模具因素，包括模具热传导性能、线膨胀系数和模具结构形式等。李彩林利用ＰＡＭ．Ａｕｔｏｃｌａｖｅ软件平台建立了热压罐固化设计的数值模拟，可视化展示了罐内有效区域的流场和温度场分布，但没有对罐内不均匀的流场做出改善。本文针对热压罐内流场在模具内部区域出现漩涡的现象，提出在框架式模具通风孔处安装风扇的方法，改善热压罐内流场的均匀性。在树脂固化反．．应放热方程的基础上，结合Ｆｌｕｅｎｔ软件模拟复合材料构件在热压罐成型工艺中的固化温度场和热压罐内流场，并分析讨论了添加风扇后热压罐内流场和复合材料构件温度分布的特点。２热化学数学模型的建立复合材料固化过程温度场分布本质上是一个具有非线性内热源的热传导问题，其中内热源来自树脂固化反应的放热＇Ｈ］。若不考虑树脂的流动，可以根据能量守恒方程导出具有内热源的热传导方程：ｐｃｐＯｔ・（１）～【ｌ式中，Ｐ、ｃｐ、Ｔ、ｔ分别为密度、比热、温度和时间；为各轴向位置坐标；ｋ为热传导系数；Ｓ为内热源。对于框架式模具，ｋ为常数，ｓ为零。对于复合材料构件，ｋ＝为导热系数矩阵，５为树脂固化反应放热。树脂的固化反应是非常复杂的过程，因此一般—收稿日期：２０１４１２－２３作者简介：林家冠（１９８８一），男，硕士研究生，主要从事复合材料方面的研究。通讯作者：杨睿（１９７４一），男，博士，副教授，主要从事复合材料方面的研究，ｙａｎｇｒｕｉ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。啤６２大型复合材料构件热压罐成型温度分析与均匀性改善研究２０１５年５月用来描述树脂固化反应的方程是建立在经验模型的基础上。本文采用文献［１５］中提到的碳纤维／环氧树脂固化反应放热模型的表达式：—≤ｄ『（ｋ１＋ｋ２０／．）（１０【）（０．４７一Ｏｔ）（０Ｉ０．３）ｄｌ３（１一Ｏ１）（＞０．３）（２）ａＥ‘其中，＝Ａｉｅ一而，Ｒ、分别为气体普适常数和固化度。Ａ、ＡＥ分别为实验测定参数。树脂的固化度可以使用差分法求得：Ｏｌｔ＋Ａｔ・Ｉ（３）ｕ１△式中，为非定常计算步长。联合方程（２）和方程（３）可以求解出树脂的固化度和固化度速率。树脂固化放热量公式为：＝（４）０式中，为固化放热速率；Ｈ为单位质量树脂固‘化反应放热总量。将Ｓ＝ｐｖｐｑ作为源项，代人方程（１）计算复合材料温度场分布，其中为复合材料的树脂体积含量。３基于Ｆｌｕｅｎｔ的热压罐成型工艺模拟３．１几何模型与网格划分如图１为热压罐工艺典型框架式模具，主要用于制造大型结构件，如飞机机翼蒙皮。这种结构的模具由底部支撑框架和顶部型面构成，特点是在顶“”部型面下方有蛋箱形的通风孔，这种结构具有减重和改善型面底部流体流动性的优点。图１典型框架式模具Ｆｉｇ．１Ｔｙｐｉｃａｌｆｒａｍｅｔｙｐｅｍｏｌｄ本文模拟的模具尺寸为１７００ｘ１５００×４００ｍｍ，模具型面为双曲面，采用（０／９０。）铺层的碳纤维／环氧树脂复合材料。铺层０度方向为沿着模具长度方射｜ｊ。＾ｒＤ．ｔ向，厚度方向为模具型面法向方向，总计厚度为２５ｍｍ，共４０层碳纤维／环氧树脂复合材料。热压罐内外腔，罐内流体介质的流动方向从外腔流进内腔，由于外腔的尺寸小，流体状态简单，为了简化计算，只将热压罐内腔作为流体计算域。由于热压罐和模具为对称结构，仿真分析时只取其一半结构，将对称面在Ｆｌｕｅｎｔ设置为ｓｙｍｍｅｔｒｙ边界条件。模型如图２所示。图２热压罐温度场计算模型Ｆｉｇ．２ＭｏｄｅｌｏｆａｕｔｏｃｌａｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄＦｌｕｅｎｔ的网格类型分为两种，结构性网格和非结构性网格。结构性网格包含四边形和六面体，而非结构网格包含三角形和四面体。由于本文的模型比较规整，便于使用六面体在流固接触面划分边界层网格，因此选用结构性网格。另外，结构性网格还有变形性好、计算精度高、比非结构性网格占内存少等特点。对于流体和固体相接触的面，流体介质沿垂直于固体表面方向的流速变化很大，为了提高求解精度，需要对近壁网格加密，节点分布采用指数变化形式，越靠近固体表面的网格越密。３．２边界条件与计算参数将热压罐网格模型导人Ｆｌｕｅｎｔ计算。热压罐尺寸为２．５￣７ｍ，流体介质流速为１．５ｍ／ｓ，根据雷诺数计算结果可以判断罐内流体流动状态为湍流，因此Ｆｌｕｅｎｔ计算模型选择湍流模型（标准一占模型）。根据热压罐的操作工艺设定边界条件如下。（１）热压罐流体介质为空气，粘度随温度而变化。（２）模型一端面设置为速度人口边界条件，指定空气流速和温度工艺路线，如图３。由于复合材料在升温阶段和保温阶段基本完成固化过程，为了简化计算，模拟中去掉了降温环节。（３）模型另一端面设置为压力出Ｅｌ边界条件，２０１５年第５期玻璃钢／复合材料６３指定压力为静压，值为热压罐内腔工作压力。（４）流体、模具和复合材料的对称面为ｓｙｍｍｅｔｒｙ边界条件，热压罐壁为绝热壁，其他面为耦合面。（５）设定复合材料为具有内热源的固体域。０５０１００１５０２００Ｔｉｍｅ／ｒａｉｎ图３热压罐温度时间曲线Ｆｉｇ．３Ｃｕｒｖｅｏｆａｕｔｏｃｌａｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ复合材料和模具的热性能参数在表１中列出，碳纤维／环氧树脂固化动力学参数见表２。表１材料的热性能参数Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ毫ｑ，＝“｛＂），ｑｐ＝＝。．４３５，为复合材料构件沿模具型面切线方向主导热系数；ｋ＂＝０．８２７，为复合材料构件厚度方向主导热系数。表２碳纤维／环氧树脂固化动力学参数Ｔａｂｌｅ２Ｃｕｒｅｋｉｎｅｔｉｃｆｏｒｇｒａｐｈｉｔｅ／ｅｐｏｘｙＡ，／ｍｉｎ一Ａ／ｍｉａ－ｌＡ３／ｍｉｎ一△‘Ｅ，／Ｊ・ｍｏｌ。△Ｅ．／Ｊ・ｔｏｏｌ一△Ｅ／Ｊ・ｍｏｌ一／Ｊ・ｋｇ３．３风扇的模拟方法Ｆｌｕｅｎｔ提供了内部风扇边界条件用来模拟流体中的内部风扇。风扇在模型中被假设为无限薄的面，并且通过面的不连续压力跳跃（ＰｒｅｓｓｕｒｅＪｕｍｐ）是速度的函数。本文将通风孔所围成的面设定为ｆａｎ边界条件，为了简化计算将压力跳跃设定为常数不随速度变化。伯努利方程：１．口＋ｐｇｈ＋Ｐ＝ｃｏｎｓｔ（５）二由于风扇面处于竖直状态，两边的高度不变，当有压差时，流体的流速会发生变化，并且压力大的地方流速低，反之亦然。通过替换可以有效模拟风扇在流场中的作用，大幅度减小计算时间。４结果分析图４给出了复合材料构件固化过程的中心点温度和固化度历程。首先分析热压罐环境温度对树脂固化的影响，以有风扇曲线为例。复合材料构件的温度随着环境温度的上升而升高，不过由于树脂基体的导热性较差，在前５０ｍｉｎ复合材料构件的温度远低于热压罐环境温度；在５０ｍｉｎ之后，热压罐环境温度达到树脂固化反应温度的要求，树脂反应放热使复合材料构件的温度迅速升高，在１４０ｍｉｎ左右树脂固化速率达到峰值，复合材料的温度超过了环境温度；最后阶段树脂固化反应结束不再产生热量，从图４温度历程曲线可以看到，复合材料构件的升温速率也很快变小。００｝。５Ｏｌ００１５０２００Ｔｉｍｅ／ｍｉｎ（ａ）Ｃｕｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ０５Ｏｌ００ｌ５Ｏ２ｏｏＴｉｍｅ／ｍｉｎ（ｂ）Ｄｅｇｒｅｅｏｆｃｕｒｅ图４复合材料构件中心点温度和固化度历程Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｃｅｎｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｄｅｇｒｅｅｏｆｃｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ鼹，／０二明蔓Ａ伽瑚姗１日＆ｇｌＬＬ８７５２０１５年第５期玻璃钢／复合材料６５（ｂ）有风扇（ｂ）Ｍｏｄｅｌｈａｓａｆａｎ图８构件温度分布Ｆｉｇ．８Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ５结论本文在实际热压罐工艺的基础上，建立了复合材料构件热压罐成型工艺的有限元模型，并结合热压罐内强迫对流换热和树脂固化反应放热的耦合效应，分析了复合材料构件和框架式成型模具的温度场，以及热压罐内流场。通过模拟结果可知，框架式模具型面背部具有复杂流场，流体介质流动形态成漩涡状，并且与该处接触的模具型面和复合材料区域温度较低。在该处通风孔布置排风扇后，根据模拟结果观测到原来的漩涡在风扇的作用下被打散，流体介质顺着通风孔或者下方孔流出，所携带的热量可以顺利直接传递到模具型面，提高了热量传递效率，并且补偿了原来复合材料构件低温区域的温度，达到温度均匀化的目的，有利于减小复合材料构件曲面温度梯度和固化梯度。参考文献［１］王永贵，梁宪珠，曹正华．热压罐工艺成型先进复合材料构件的温度场研究综合［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（３）：８１－８５．［２］陈绍杰．浅谈复合材料的整体成型技术［Ｊ］．高科技纤维与应—用，２００５，３０（１）：６２０．［３］杜善义，关志东．我国大型客机先进复合材料技术应对策略思考［Ｊ］．复合材料学报，２００８，２５（１）：１－１０．［４］谭华，晏石林．热固性树脂基复合材料固化过程的三维数值模—拟［Ｊ］．复合材料学报，２００４，２１（６）：１６７１７２．—［５］Ｇｎｉａｔｃｚｙｋ，ＪｅｆｆｒｅｙＬ．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭｏｌｄｉｎｇＴｏｏｌｓａｎｄＰａｒｔｓａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆＦｏｒｍｉｎｇＭｏｌｄｉｎｇＴｏｏｌｓ［Ｐ］．ＵＳ：６３０９５８７Ｂ１，２００１．［６］ＬｏｏｓＡＣ，ＳｐｒｉｎｇｅｒＧＳ．Ｃｕｒｉｎｇｏｆｅｐｏｘｙｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－ｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９８３，１７（２）：１３５－１６９．—［７］ＢｏｇｅｔｔｉＴＡ，ＧｉｌｌｅｓｐｉｅＪＷ．Ｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｕｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｃｋｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＪｏｕｍａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９１，—２５（３）：２３９２７３．［８］ＰａｒｋＨＣ，ＬｅｅＳＷ．ＣｕｒｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｈｉｃｋＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓＵｓｉｎｇｔｈｅＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌ，—２００１，３５（３）：１１８２０１．［９］李君，姚学锋，等．复合材料固化过程中温度及应变场分布的解析解［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００９，４９（５）：７６１－７７１．［１Ｏ］李君，姚学锋，等．复合材料Ｔ型整体化结构固化翘曲变形模拟—［Ｊ］．复合材料学报，２６（１）：１５６１６１．［１１］岳广全，张博明，等．模具对热固性树脂基复合材料固化变形的—影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（５）：６２６５．［１２］李彩林．复合材料热压罐固化设计的数值模拟［Ｊ］．玻璃钢／复—合材料，２０１４，（１１）：２６２９．［１３］张纪奎，关志东，郦正能．热固性复合材料固化过程中温度场的—三维有限元分析［Ｊ］．复合材料学报，２００６，２３（２）：１７５１７９．［１４］张铖，张博明，等．复合材料结构固化温度场精化模拟［Ｊ］．材—料开发与应用，２０１０，（６）：４１４６．［１５］ＣｈｅｕｎｇＡ，ＹｕＹ．Ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃａ．—ｒｉｎｇｏｆｐｏｌｙｍｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔｓｉｎＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅ—ｓｉｇｎ，２００４，４０：８９５９１２．’ＬＡＲＧＥ－ＳＣＡＬＥＣ０ＭＰｏＳｌＩＥＣＵＲＩＮＧＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＡＮＡＬＹＳＩＳＡＮＤⅡＰＲＯＶＥＭＥＮＴＩＮＡＵＴｏＣＬＡＶＥＰＲＯＣＥＳＳ—ＬＩＮＪｉａ－ｇｕａｎ，ＹＡＮＧＲｕｉ，ＷＡＮＧＴｉｎｘｉａ，ＺＨＡＮＤｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅａｅｒｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎａｕｔｏｃｌａｖｅｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＦｌｕｅｎｔｆｌｕｉｄａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ，ｈａｖｅｂｅｅｎｇｉｖｅｎｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｉｓｗｏｒｋｇｉｖｅｓａｍｅｔｈｏｄｏｆｆａｎｉｎｓｔａｌｌｅｄｏｎｔｈｅｆｒａｍｅｔｙｐｅｍｏｌｄｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｈｏｌｅｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｏｆａｉｒ，ａｎｄｉｍ－ｐｒｏｖｅｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｂｅｈｉｎｄｏｆｆｒａｍｅ—ｔｙｐｅｍｏｌｄｓｕｒｆａｃｅｉｓｃｏｍｐｌｅｘ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｆｌｏｗｖｏｒｔｅｘ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｈａｓｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｆａｎｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｖｅｌｏｃｉｔｙｃａｎｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅ—ａｕｔｏｃｌａｖｅ，ｍａｋｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｍｏｌｄｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ睁黛