專(zhuān)利名稱(chēng)：樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓工藝過(guò)程壓力制度的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱壓工藝的優(yōu)化方法，具體地說(shuō)，是指一種適用于樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓工藝過(guò)程壓力制度的優(yōu)化方法，是通過(guò)計(jì)算機(jī)、樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元、工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元實(shí)現(xiàn)的，采用本發(fā)明方法能夠在脫離實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)條件下快速確定滿(mǎn)足目標(biāo)要求的優(yōu)化壓力制度，并且優(yōu)化的工藝制度可以與熱壓成型數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，指導(dǎo)樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓成型工業(yè)化作業(yè)。

背景技術(shù)：
熱壓成型一直是航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)主承力結(jié)構(gòu)先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制件最重要的工藝方法，然而高昂的制造成本嚴(yán)重制約了它的發(fā)展和應(yīng)用。目前造成先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件制造成本過(guò)高的主要原因如下(1)研制模式落后，研制周期長(zhǎng)、效率低。當(dāng)前研制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)都是采用試驗(yàn)摸索，先是試樣的試驗(yàn)，再做縮比件試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)數(shù)次確定制造工藝，研制周期長(zhǎng)；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)的優(yōu)化都是憑經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，費(fèi)用高，科學(xué)性差。(2)制造規(guī)范不通用。針對(duì)某一復(fù)合材料構(gòu)件從大量試驗(yàn)摸索形成的一種較合理的制造工藝規(guī)范，只適用這一特定情況，復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式一旦改變，又需要新做大量試驗(yàn)，耗資耗時(shí)。(3)制件質(zhì)量可控性差，造成復(fù)合材料性能分散，材料許用值低，構(gòu)件合格率低。解決先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造成本過(guò)高的主要方法開(kāi)展制造過(guò)程數(shù)值模擬和優(yōu)化，發(fā)展新型高效低成本制造技術(shù)。其核心是在弄清制造過(guò)程熱化學(xué)、熱物理變化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)研制模式的轉(zhuǎn)變和制造過(guò)程的模擬與優(yōu)化。
在熱壓成型中，樹(shù)脂基復(fù)合材料在熱和壓力作用下發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化和化學(xué)-物理的耦合變化，包括熱傳導(dǎo)、固化放熱、樹(shù)脂流動(dòng)、纖維密實(shí)等，它們一方面決定著最終制件性能，反映工藝參數(shù)的合理性；另一方面又受到原材料特性和制件形狀的影響。樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型典型工藝制度(參見(jiàn)圖1C所示)包括有溫度與時(shí)間的關(guān)系(又稱(chēng)溫度制度)、壓力與時(shí)間的關(guān)系(又稱(chēng)壓力制度，即壓力大小和加壓時(shí)機(jī))。成型壓力決定著樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程驅(qū)動(dòng)力的大小，同時(shí)壓力大小和加壓時(shí)機(jī)是影響最終層板纖維含量、分布均勻性以及層板厚度的主要因素，建立成型過(guò)程數(shù)學(xué)模型和工藝參數(shù)優(yōu)化方法，采用計(jì)算機(jī)及數(shù)值技術(shù)，在脫離生產(chǎn)線(xiàn)的情況下，預(yù)測(cè)制件成型質(zhì)量、評(píng)價(jià)成型工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)，快速制定滿(mǎn)足目標(biāo)要求的最佳工藝制度，是目前實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂基復(fù)合材料低成本、高品質(zhì)制造的科學(xué)途徑之一。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種等厚層板熱壓過(guò)程壓力制度的優(yōu)化方法，是一種適用于提高樹(shù)脂基復(fù)合材料制件熱壓成型質(zhì)量的工藝優(yōu)化方法。該方法通過(guò)遺傳算法，結(jié)合樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2，在溫度制度的基礎(chǔ)上，可以對(duì)壓力大小和加壓時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，獲得滿(mǎn)足目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)及其分布均勻，效率最高且工程可行的壓力制度。采用本發(fā)明獲取的優(yōu)化工藝參數(shù)與熱壓成型中的數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，可以指導(dǎo)樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓成型的工業(yè)化作業(yè)，縮短研制周期、降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
本發(fā)明是一種利用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓工藝的壓力制度進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)字化方法，該P(yáng)CO(Pressure Cycle Optimization)方法包括制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1、成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2、材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3、樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4、制件質(zhì)量預(yù)測(cè)單元5、工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6、優(yōu)化工藝參數(shù)單元7。所述層板質(zhì)量預(yù)測(cè)單元5，在已知所述制件構(gòu)形和初始設(shè)置參量F1的條件下，通過(guò)拾取所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2中的工藝參量F2和所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3中的材料參量F2，并將初始設(shè)置參量F1、工藝參量F2和材料參量F3在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中處理，獲得決定層板質(zhì)量的參量，存儲(chǔ)在制件質(zhì)量預(yù)測(cè)單元5中。所述優(yōu)化工藝參數(shù)單元7，在拾取所述制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1中制件初始設(shè)置參量F1，拾取所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2中的工藝參量F2和所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3中的材料參量F3，在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中處理，獲得決定層板質(zhì)量的參量，并與所述工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6中的優(yōu)化目標(biāo)參量F4進(jìn)行比較，結(jié)合相應(yīng)的工藝參數(shù)優(yōu)化方法，調(diào)整成型工藝參數(shù)，得到滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)參量F4的工藝制度參數(shù)，輸出并存儲(chǔ)在優(yōu)化工藝參數(shù)單元7中。運(yùn)用本發(fā)明PCO方法，在溫度制度的基礎(chǔ)上，可以對(duì)壓力大小和加壓時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，獲得滿(mǎn)足目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)及其分布均勻，效率最高且工程可行的壓力制度。
本發(fā)明樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓工藝過(guò)程壓力制度優(yōu)化(PCO)方法具有如下優(yōu)點(diǎn) 一、制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1、成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2通過(guò)可視化的界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，將其引入樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型的模擬單元4中，其操作簡(jiǎn)單，模擬效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)； 二、采用較為成熟的材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)3，使模擬所需的與樹(shù)脂和纖維特性相關(guān)參量的準(zhǔn)確度得到了保證，因此模擬精度高； 三、樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4基于數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)?shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓成型中樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)過(guò)程進(jìn)行模擬，能預(yù)測(cè)層板厚度和纖維體積分?jǐn)?shù)，避免工業(yè)化生產(chǎn)中出現(xiàn)層板內(nèi)纖維分布不均勻等成型問(wèn)題； 四、工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6、樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4相結(jié)合與制件質(zhì)量預(yù)測(cè)單元5，采用遺傳算法能夠在脫離實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)狀態(tài)下優(yōu)化壓力制度，優(yōu)化工藝參數(shù)7與熱壓成型數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，可以指導(dǎo)樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓成型的工業(yè)化作業(yè)，縮短研制周期、降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。



圖1為樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖。
圖1A為本發(fā)明等厚層板初始條件設(shè)置單元的設(shè)置界面示意圖。
圖1B為本發(fā)明成型工藝參數(shù)設(shè)置單元的設(shè)置界面示意圖。
圖1C為本發(fā)明樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型典型工藝制度示意圖。
圖1D為本發(fā)明優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置的界面示意圖。
圖2為本發(fā)明層板模型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為T(mén)700SC碳纖維/環(huán)氧5228樹(shù)脂層板的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3A為T(mén)700SC碳纖維/環(huán)氧5228樹(shù)脂層板的網(wǎng)絡(luò)剖分示意圖。
圖3B為T(mén)700SC碳纖維/環(huán)氧5228樹(shù)脂層板的計(jì)算機(jī)界面。
圖4為t＝3000s層板厚度方向纖維體積分?jǐn)?shù)分布。
圖5為t＝3000s層板厚度方向纖維承載壓力分布。

具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明是一種利用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓工藝的壓力制度進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)字化方法，所述壓力制度優(yōu)化方法簡(jiǎn)稱(chēng)為PCO(Pressure CycleOptimization)方法，PCO方法包括制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1、成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2、材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3、樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4、制件質(zhì)量預(yù)測(cè)單元5、工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6、優(yōu)化工藝參數(shù)單元7(參見(jiàn)圖1所示)。
所述層板質(zhì)量預(yù)測(cè)單元5，在已知所述制件構(gòu)形和初始設(shè)置參量F1的條件下，通過(guò)拾取所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2中的工藝參量F2和所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3中的材料參量F2，并將初始設(shè)置參量F1、工藝參量F2和材料參量F3在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中處理，獲得決定層板質(zhì)量的參量，存儲(chǔ)在制件質(zhì)量預(yù)測(cè)單元5中。
所述優(yōu)化工藝參數(shù)單元7，在拾取所述制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1中制件初始設(shè)置參量F1，拾取所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2中的工藝參量F2和所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3中的材料參量F3，在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中處理，獲得決定層板質(zhì)量的參量，并與所述工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6中的優(yōu)化目標(biāo)參量F4進(jìn)行比較，結(jié)合相應(yīng)的工藝參數(shù)優(yōu)化方法，調(diào)整成型工藝參數(shù)，得到滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)參量F4的工藝制度參數(shù)，輸出并存儲(chǔ)在優(yōu)化工藝參數(shù)單元7中。
參見(jiàn)圖1A所示，在本發(fā)明中，制件構(gòu)形與網(wǎng)格單元1中的制件初始設(shè)置參量F1包括吸膠方式、預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)、預(yù)浸料鋪層層數(shù)、層板初始厚度，這些參量可以通過(guò)界面方式錄入。
參見(jiàn)圖1B所示，在本發(fā)明中，成型工藝參數(shù)設(shè)置單元中的工藝參量F2包括有溫度-時(shí)間關(guān)系、外加正壓力、真空度、加壓時(shí)機(jī)，這些參量可以通過(guò)界面方式進(jìn)行參數(shù)錄入，也可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型解析獲得后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，等待運(yùn)用時(shí)提取相應(yīng)的文件即可。
參見(jiàn)圖1C所示，樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型典型工藝制度示意圖，包括有溫度與時(shí)間的關(guān)系(又稱(chēng)溫度制度)、壓力與時(shí)間的關(guān)系(又稱(chēng)壓力制度)。圖中，橫坐標(biāo)tc是指工藝時(shí)間(單位s)，0～tc1表示第一段工藝時(shí)間，tc1～tc2表示第二段工藝時(shí)間，tc2～tc3表示第三段工藝時(shí)間，tc3～tc4表示第四段工藝時(shí)間；左邊縱坐標(biāo)T是指在有效工藝時(shí)間內(nèi)的熱壓成型溫度，T1表示在第一段工藝時(shí)間初始溫度，T1取值為18～33℃；T2表示在第二段工藝時(shí)間的溫度，T2取值為70～160℃；T3表示在第四段工藝時(shí)間的溫度，T3取值為100～210℃。在第四段工藝時(shí)間之后自然冷卻至室溫。橫坐標(biāo)tcjia表示加壓時(shí)刻(又稱(chēng)加壓時(shí)機(jī))，以工藝時(shí)間的零點(diǎn)為基準(zhǔn)；右邊縱坐標(biāo)是指在有效工藝時(shí)間內(nèi)的熱壓成型壓力，P1表示真空度，P1取值為0.0～0.1MPa；P2表示tcjia之前層板所受環(huán)境大氣壓，通常P2取值為0.1MPa；P2表示tcjia之后施加的外力(是指表壓)，P3取值為0.1～2.0MPa。
在本發(fā)明中，材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3中的材料參量F3包括有樹(shù)脂種類(lèi)、纖維種類(lèi)、織物類(lèi)型、鋪層方式；所述樹(shù)脂種類(lèi)是環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂、雙馬樹(shù)脂等；所述纖維種類(lèi)是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等；所述織物類(lèi)型是單向預(yù)浸料、單向織物、平紋織物、斜紋織物、緞紋織物等；所述鋪層方式包括單向鋪層、正交鋪層、準(zhǔn)各向同性鋪層等；樹(shù)脂種類(lèi)的不同，其粘度模型以及模型中涉及參數(shù)的取值不同，可以采用流變儀測(cè)試得到；纖維種類(lèi)、織物類(lèi)型、鋪層方式影響纖維層滲透率、纖維層的壓縮特性，采用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)量；材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)包含了所述與樹(shù)脂種類(lèi)相關(guān)聯(lián)的粘度數(shù)據(jù)、所述與纖維種類(lèi)、織物類(lèi)型、鋪層方式相關(guān)聯(lián)的滲透率、壓縮特性數(shù)據(jù)，是北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院經(jīng)多年對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、測(cè)試、測(cè)量獲得的，具有準(zhǔn)確性、可靠性，曾被北京市聚合物基復(fù)合材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室用作工藝分析的數(shù)據(jù)源之一。
在本發(fā)明中，所述壓力制度的優(yōu)化是在熱壓成型中設(shè)定溫度制度條件下，分別對(duì)工藝壓力Pc和加壓時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。所述壓力制度包括工藝壓力Pc和加壓時(shí)機(jī)，所述溫度制度與樹(shù)脂相關(guān)，所述工藝壓力Pc是指外加壓力Pa與真空度Pb之和，外加正壓力Pa是指熱壓罐氣壓或熱壓機(jī)機(jī)械壓，真空度Pb是指預(yù)浸料封裝體系內(nèi)的真度，所述工藝壓力Pc的優(yōu)化是在溫度制度和加壓時(shí)機(jī)確定的條件下，通過(guò)遺傳算法得到滿(mǎn)足目標(biāo)所需工藝壓力值。所述加壓時(shí)機(jī)的優(yōu)化是在溫度制度和工藝壓力值確定的條件下，通過(guò)遺傳算法得到滿(mǎn)足目標(biāo)所需加壓時(shí)機(jī)。
在本發(fā)明中，工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化；參見(jiàn)圖1D所示，所述工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6中的優(yōu)化目標(biāo)參量F4是目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)。
在本發(fā)明中，公知計(jì)算機(jī)的最低要求為CPU PIV 1.8G以上，內(nèi)存256M以上，硬盤(pán)20G以上。借用計(jì)算機(jī)所固有的運(yùn)算特性，樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型過(guò)程的數(shù)字化模擬方法操作方便、模擬結(jié)果精確。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬能夠有效地縮短研制周期、降低研制成本，提高制件質(zhì)量。
在本發(fā)明中，在溫度制度和加壓時(shí)機(jī)確定的條件下，工藝壓力Pc的優(yōu)化步驟有 第一步在工藝壓力Pc(0.1＜Pc＜2.0MPa)條件下，拾取適應(yīng)度函數(shù)Fi； 所述適應(yīng)度函數(shù)式中，

表示平均纖維體積分?jǐn)?shù)，通過(guò)樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2獲得，

表示設(shè)定的目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)； 第二步在確定的工藝壓力Pc范圍內(nèi)，拾取可行解群體； 第三步在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中解析可行解群體中每個(gè)可行解所對(duì)應(yīng)的層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)
所述在樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中解析層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)

的步驟有 第1步在所述制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1中提取制件初始設(shè)置參量F1(參見(jiàn)圖1A所示)；在本發(fā)明中，根據(jù)制件初始設(shè)置參量F1中層板初始厚度，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)等厚層板進(jìn)行三維模型(參見(jiàn)圖2所示)，并對(duì)建立獲得三維層板圖形進(jìn)行網(wǎng)格剖分處理，獲得帶有節(jié)點(diǎn)的層板模型(參見(jiàn)圖3A所示)，并將所述節(jié)點(diǎn)層板模型保存為一個(gè)文本格式文件(*.TXT)；所述文本格式文件可以方便以后模擬所需參數(shù)的提取。圖2中，x軸表示層板模型的長(zhǎng)度方向，z軸表示層板模型的厚度方向。
第2步在所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2中提取工藝參量F2，其中工藝壓力Pc取值從第二步可行解群體中獲得； 第3步在所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3中提取材料參量F3； 第4步在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4獲取樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2，采用有限差分和牛頓迭代方法，可以解析得到層板內(nèi)纖維承載壓力Pf以及纖維體積分?jǐn)?shù)Vf，根據(jù)層板內(nèi)不同位置的纖維體積分?jǐn)?shù)，解析得到層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù)
所述樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式 式中，Pf表示纖維承載壓力，Pc表示工藝壓力，t表示模擬時(shí)間，Vf表示纖維體積分?jǐn)?shù)，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，z表示層板厚度方向，Szz表示層板厚度方向滲透率，μ表示樹(shù)脂粘度； 所述纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式 式中，Pf表示纖維承載壓力，E表示纖維的彎曲模量，β表示纖維層壓縮特性系數(shù)，Vf表示纖維體積分?jǐn)?shù)，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，Va表示密實(shí)堆積纖維體積分?jǐn)?shù)。
第四步在所述工藝優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6中提取工藝優(yōu)化的目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)

將目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)

和第三步解析得到的平均纖維體積分?jǐn)?shù)

代入適應(yīng)度函數(shù)Fi，解析適應(yīng)度值，按照適應(yīng)度值的大小來(lái)評(píng)價(jià)可行解的好壞；以?xún)?yōu)勝劣汰的機(jī)制，將適應(yīng)度差的染色體淘汰掉，對(duì)幸存的染色體根據(jù)其適應(yīng)度值的好壞，按概率隨機(jī)選擇，進(jìn)行繁殖，形成新的群體；通過(guò)雜交和變異的操作，產(chǎn)生子代，雜交是隨機(jī)選擇兩條染色體(雙親)，將某一點(diǎn)或多點(diǎn)的基因互換而產(chǎn)生兩個(gè)新個(gè)體；變異是基因中的某一點(diǎn)或多點(diǎn)發(fā)生突變； 第五步對(duì)子代群體重復(fù)第三步、第四步的操作，進(jìn)行新一輪遺傳進(jìn)化過(guò)程，直到適應(yīng)度值滿(mǎn)足停止規(guī)則，迭代停止，即找到了最優(yōu)解。
在本發(fā)明中，在溫度制度和工藝壓力大小確定的條件，加壓時(shí)機(jī)的優(yōu)化步驟有 第一步在加壓時(shí)機(jī)tcjia(0＜tcjia＜120min)條件下，拾取適應(yīng)度函數(shù)Ei； 所述適應(yīng)度函數(shù)式中，

表示平均纖維體積分?jǐn)?shù)，通過(guò)樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2獲得，

表示設(shè)定的目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)； 第二步在確定的范圍加壓時(shí)機(jī)內(nèi)，拾取可行解群體； 第三步、第四步、第五步解析方法與工藝壓力大小的優(yōu)化方法相同。在本發(fā)明中制件初始設(shè)置參量F1中的層板初始厚度式中，N表示預(yù)浸料鋪層層數(shù)，af表示預(yù)浸料纖維面密度，ρf表示纖維的體密度，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)。
在本發(fā)明中，樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中的解析如下 (一)樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1 式中，Pf表示纖維承載壓力，Pc表示工藝壓力，t表示模擬時(shí)間，Vf表示纖維體積分?jǐn)?shù)，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，z表示層板厚度方向，Szz表示層板厚度方向滲透率，μ表示樹(shù)脂粘度； 在式(1)中，纖維承載壓力的初始條件為在層板內(nèi)任意位置Pf＝0。
在式(1)中設(shè)定的邊界條件為 在鋪放吸膠材料的邊界 Pf＝Pc(2) 式中，Pc表示工藝壓力，且滿(mǎn)足Pc＝Pa+Pb，即工藝壓力是外加正壓力Pa與真空度Pb之和； 在沒(méi)有鋪放吸膠材料的邊界或上下表面對(duì)稱(chēng)吸膠鋪層結(jié)構(gòu)的中心面的邊界 (3) 式中，Pf表示纖維承載壓力，Vf表示纖維體積分?jǐn)?shù)，z表示層板厚度方向。根據(jù)式(1)和初始及邊界條件，采用有限差分方法解析纖維承載壓力Pf。
(二)纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足關(guān)系式G2 式中，Pf表示纖維承載壓力，Vf表示纖維體積分?jǐn)?shù)，E表示纖維的彎曲模量，β表示在熱壓成型過(guò)程中纖維層在有壓力條件下的變形能力的特性系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)纖維層壓縮特性系數(shù)，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，Va表示根據(jù)纖維六方密實(shí)堆積條件下的纖維體積分?jǐn)?shù)，為一常數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)密實(shí)堆積纖維體積分?jǐn)?shù)。
(三)為了從纖維承載壓力Pf高效快速地求出纖維體積分?jǐn)?shù)Vf，首先從迭代次數(shù)為0開(kāi)始， 即開(kāi)始，則迭代計(jì)算的下一步直至結(jié)束；然后，利用牛頓迭代法解析出纖維體積分?jǐn)?shù)Vf，牛頓迭代模型G3如下 式中，m表示迭代次數(shù)，Vfm表示迭代m次的纖維體積分?jǐn)?shù)，Pf表示纖維承載壓力，P表示當(dāng)前時(shí)刻纖維承載壓力； (四)本發(fā)明中樹(shù)脂承載壓力Pf與纖維承載壓力Pf關(guān)系為 Pr＝Pc-Pf (6) 式中，Pr表示樹(shù)脂承載壓力，Pf表示纖維承載壓力，Pc表示工藝壓力；通過(guò)式(6)解析得到樹(shù)脂承載壓力Pr。
(五)本發(fā)明中層板厚度h與纖維體積分?jǐn)?shù)Vf關(guān)系為 式中，h表示層板厚度，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，Dz預(yù)浸料片層初始厚度，N表示預(yù)浸料鋪層層數(shù)，i表示第i纖維層，Vfi表示第i纖維層纖維體積分?jǐn)?shù)；通過(guò)式(7)解析得到層板厚度h。
(六)本發(fā)明中，層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)

與纖維體積分?jǐn)?shù)Vf關(guān)系為 式中，N表示預(yù)浸料鋪層層數(shù)，i表示第i纖維層，Vfi表示第i纖維層纖維體積分?jǐn)?shù)，

表示平均纖維體積分?jǐn)?shù)；通過(guò)式(8)得到層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)
實(shí)施例1單向鋪30層的T700SC碳纖維/環(huán)氧5228樹(shù)脂等厚層板，其工藝壓力大小的優(yōu)化。
實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖3所示，在模具1內(nèi)從下至上順序排放有下吸膠紙31、A層纖維101、A層樹(shù)脂201、B層纖維102、B層樹(shù)脂202、C層纖維103、C層樹(shù)脂203、D層纖維104、D層樹(shù)脂204、F層纖維130、F層樹(shù)脂230、上吸膠紙32。這是一種常見(jiàn)的“預(yù)浸料鋪層層數(shù)”(參見(jiàn)圖1A所示)的鋪層體系，但T700SC碳纖維/環(huán)氧5228樹(shù)脂材料本身是纖維和樹(shù)脂的組合體，為了方便介紹故畫(huà)出該結(jié)構(gòu)示意圖。
第一步在工藝壓力Pc(0.1＜Pc＜2.0MPa)條件下，拾取適應(yīng)度函數(shù)式中，

表示平均纖維體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2獲得，

表示設(shè)定的目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)； 第二步在確定的工藝壓力Pc范圍內(nèi)，選取10個(gè)工藝壓力值形成一個(gè)可行解群體； 第三步在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中解析可行解群體中每個(gè)可行解所對(duì)應(yīng)的層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)
所述在樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4中解析層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)

的步驟有 第1步在所述制件構(gòu)形(參見(jiàn)圖3所示)與網(wǎng)格剖分單元1中拾取制件初始設(shè)置參量F1，吸膠方式為預(yù)浸料上下表面對(duì)稱(chēng)吸膠，預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)V0為55％，預(yù)浸料鋪層層數(shù)30層，層板初始厚度h0為4.26mm。在Patran軟件中創(chuàng)建出三維層板圖形，然后對(duì)所述三維層板圖形進(jìn)行30×10網(wǎng)格剖分處理(參見(jiàn)圖3A所示)，獲得帶有節(jié)點(diǎn)的層板模型(顯示屏上會(huì)有彩色三維圖片顯示)，并將所述節(jié)點(diǎn)層板模型保存為一個(gè)文本格式文件，即MLCB.TXT； 第2步在所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2中提取工藝參量F2，溫度-時(shí)間關(guān)系為以2℃/min的升溫速率從室溫30℃升到130℃，在130℃下恒溫25min后以2℃/min的升溫速率從130℃升到180℃，最后在180℃下恒溫60min。根據(jù)溫度-時(shí)間關(guān)系在計(jì)算機(jī)上通過(guò)解析生成時(shí)間和溫度數(shù)據(jù)，將其保存在data.txt文件中；真空度為0.0MPa，加壓時(shí)機(jī)為75min，工藝壓力從第三步確定的可行解群體中獲得。在計(jì)算機(jī)可視化界面(參見(jiàn)圖3B所示)設(shè)置模擬總時(shí)間為3000s、時(shí)間步長(zhǎng)Δt＝10s。
第3步在所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元中提取材料參量F3，樹(shù)脂種類(lèi)環(huán)氧5228，纖維種類(lèi)T700SC碳纖維，織物類(lèi)型單向預(yù)浸料，鋪層方式單向鋪層。根據(jù)所述材料參量，可以從材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出計(jì)算所需的與纖維和樹(shù)脂相關(guān)參量包括粘度模型、纖維滲透率模型、纖維壓縮模型中的參數(shù)。
第4步在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元4，獲取樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2，采用有限差分和牛頓迭代方法，可以解析得到層板內(nèi)不同位置處的纖維承載壓力Pf以及纖維體積分?jǐn)?shù)Vf，根據(jù)層板內(nèi)不同位置的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf，解析得到層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù)
根據(jù)可行解群體中的工藝壓力取值，通過(guò)APCPS單元，解析得到層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù)

分別為 第四步在工藝優(yōu)化目標(biāo)與方法單元6中提取工藝優(yōu)化的目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)并將目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)

和第三步解析得到的平均纖維體積分?jǐn)?shù)

代入適應(yīng)度函數(shù)Fi，解析適應(yīng)度值，按適應(yīng)度值大小來(lái)評(píng)價(jià)可行解好壞； 根據(jù)可行解群體中的工藝壓力值，解析得到適應(yīng)度值分別為 以?xún)?yōu)勝劣汰的機(jī)制，將適應(yīng)度差的染色體淘汰掉，對(duì)幸存的染色體根據(jù)其適應(yīng)度值的大小，按概率隨機(jī)選擇，進(jìn)行繁殖，形成新的群體；通過(guò)雜交和變異的操作，產(chǎn)生子代，雜交是隨機(jī)選擇兩條染色體(雙親)，將某一點(diǎn)或多點(diǎn)的基因互換而產(chǎn)生兩個(gè)新個(gè)體；變異是基因中的某一點(diǎn)或多點(diǎn)發(fā)生突變； 第五步對(duì)子代群體重復(fù)第三步、第四步的操作，進(jìn)行新一輪遺傳進(jìn)化過(guò)程，直到適應(yīng)度值最小，迭代停止，輸出最優(yōu)解。
通過(guò)所述工藝壓力的優(yōu)化方法，可以解析得到滿(mǎn)足目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)的工藝壓力為0.415MPa。在所述層板初始條件和溫度制度條件下，滿(mǎn)足層板目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)的優(yōu)化壓力制度加壓時(shí)機(jī)為75min，工藝壓力0.415MPa。
通過(guò)上述模擬計(jì)算，解析得到優(yōu)化壓力制度條件下，模擬時(shí)間t＝3000s時(shí)刻，層板厚度纖維體積分?jǐn)?shù)分布如圖4所示，圖中，厚度方向纖維分布不均勻，越靠近上吸膠紙32和下吸膠紙31位置，纖維體積分?jǐn)?shù)越大，越靠近層板中心位置纖維體積分?jǐn)?shù)越?。荒M時(shí)間t＝3000s時(shí)刻，層板厚度纖維承載壓力分布如圖5所示，靠近吸膠紙位置纖維承載壓力最大，越靠近層板中心位置纖維承載壓力越??；t＝3000s時(shí)刻，層板厚度h為3.85mm，平均纖維體積分?jǐn)?shù)

為62.0％，優(yōu)化得到的壓力制度可以滿(mǎn)足目標(biāo)要求。
本發(fā)明是一種利用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓工藝的壓力制度進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)字化方法，該模擬方法為了解決樹(shù)脂基復(fù)合材料在熱壓成型中的制造工藝不通用、制件質(zhì)量可控性差、制件合格率較低等問(wèn)題，采用遺傳算法和確定壓力Pc條件下的適應(yīng)度函數(shù)Fi，利用樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2，獲得了滿(mǎn)足目標(biāo)要求的壓力制度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在脫離實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)的條件下對(duì)等厚層板熱壓工藝的壓力制度優(yōu)化。該優(yōu)化工藝制度可以與樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合，指導(dǎo)熱壓成型工業(yè)化生產(chǎn)，保證復(fù)合材料制件成型質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。
本發(fā)明中引用符號(hào)所表示的物理意義見(jiàn)下表
權(quán)利要求
1、一種利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓工藝過(guò)程壓力制度的數(shù)字化方法，該方法包括有材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元(3)，其特征在于還包括有制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元(1)、成型工藝參數(shù)設(shè)置單元(2)、樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元(4)、制件質(zhì)量預(yù)測(cè)單元(5)、工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元(6)、優(yōu)化工藝參數(shù)單元(7)；
所述層板質(zhì)量預(yù)測(cè)單元(5)，在已知所述制件構(gòu)形和初始設(shè)置參量F1的條件下，通過(guò)拾取所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元(2)中的工藝參量F2和所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元(3)中的材料參量F3，并將初始設(shè)置參量F1、工藝參量F2和材料參量F3在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元(4)中處理，獲得決定層板質(zhì)量的參量，并存儲(chǔ)在制件質(zhì)量預(yù)測(cè)單元(5)中。
所述優(yōu)化工藝參數(shù)單元(7)，在已知所述制件構(gòu)形和初始設(shè)置參量F1的條件下，通過(guò)拾取所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元(2)中的工藝參量F2和所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元(3)中的材料參量F3，在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元(4)中處理，獲得決定層板質(zhì)量的參量，并與所述工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元(6)中的優(yōu)化目標(biāo)參量F4進(jìn)行比較，結(jié)合工藝參數(shù)優(yōu)化方法自動(dòng)調(diào)整成型工藝參數(shù)，得到滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)參量F4的工藝制度參數(shù)，輸出并存儲(chǔ)在優(yōu)化工藝參數(shù)單元(7)中。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的等厚層板熱壓工藝過(guò)程壓力制度的數(shù)字化模擬方法，其特征在于所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元(2)中溫度制度和加壓時(shí)機(jī)確定的條件下工藝壓力Pc優(yōu)化的實(shí)施步驟有
第一步在工藝壓力Pc(0.1＜Pc＜2.0MPa)條件下，拾取適應(yīng)度函數(shù)Fi；
所述適應(yīng)度函數(shù)式中，
表示平均纖維體積分?jǐn)?shù)，通過(guò)樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2獲得，
表示設(shè)定的目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)；
第二步在確定的工藝壓力Pc范圍內(nèi)，拾取可行解群體；
第三步在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元(4)中解析可行解群體中每個(gè)可行解所對(duì)應(yīng)的層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)
第四步在所述工藝優(yōu)化目標(biāo)與方法單元(6)中提取工藝優(yōu)化的目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)
并將目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)
和第四步解析得到的平均纖維體積分?jǐn)?shù)
代入適應(yīng)度函數(shù)Fi，解析適應(yīng)度值，按照適應(yīng)度值的大小來(lái)評(píng)價(jià)該可行解的好壞；以?xún)?yōu)勝劣汰的機(jī)制，將適應(yīng)度差的染色體淘汰掉，對(duì)幸存的染色體根據(jù)其適應(yīng)度值的好壞，按概率隨機(jī)選擇，進(jìn)行繁殖，形成新的群體；通過(guò)雜交和變異的操作，產(chǎn)生子代，雜交是隨機(jī)選擇兩條染色體(雙親)，將某一點(diǎn)或多點(diǎn)的基因互換而產(chǎn)生兩個(gè)新個(gè)體；變異是基因中的某一點(diǎn)或多點(diǎn)發(fā)生突變；
第五步對(duì)子代群體重復(fù)第三步、第四步的操作，進(jìn)行新一輪遺傳進(jìn)化過(guò)程，直到適應(yīng)度值滿(mǎn)足停止規(guī)則，迭代停止，即找到了最優(yōu)解。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的等厚層板熱壓工藝過(guò)程壓力制度的數(shù)字化模擬方法，其特征在于第三步在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元(4)中解析可行解所對(duì)應(yīng)的層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)
其解析步驟為
第1步在所述制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元(1)中提取制件初始設(shè)置參量F1；
第2步在所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元(2)中提取工藝參量F2，其中工藝壓力Pc取值從可行解群體中獲得；
第3步在所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元(3)中提取材料參量F3；
第4步在所述樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元(4)中獲得樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2；
所述樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式式中，Pf表示纖維承載壓力，Pc表示工藝壓力，t表示模擬時(shí)間，Vf表示纖維體積分?jǐn)?shù)，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，z表示層板厚度方向，Szz表示層板厚度方向的滲透率，μ表示樹(shù)脂粘度；所述工藝壓力Pc滿(mǎn)足Pc＝Pa+Pb，Pa表示外加正壓力，Pb表示真空度；
所述纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足關(guān)系式式中，Pf表示纖維承載壓力，E表示纖維的彎曲模量，β表示纖維層壓縮特性系數(shù)，Vf表示纖維體積分?jǐn)?shù)，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，Va表示密實(shí)堆積纖維體積分?jǐn)?shù)。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的等厚層板熱壓工藝過(guò)程壓力制度的數(shù)字化模擬方法，其特征在于第1步中的制件構(gòu)形初始設(shè)置參量F1中的層板初始厚度式中，N表示預(yù)浸料鋪層層數(shù)，af表示預(yù)浸料纖維面密度，ρf表示纖維的體密度，V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的等厚層板熱壓工藝過(guò)程壓力制度的數(shù)字化模擬方法，其特征在于第4步中的纖維體積分?jǐn)?shù)Vf采用牛頓迭代模型G3獲得；所述牛頓迭代模型式中，m表示迭代次數(shù)，Vfm表示迭代m次的纖維體積分?jǐn)?shù)，Pf表示纖維承載壓力，P表示當(dāng)前時(shí)刻纖維承載壓力。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用計(jì)算機(jī)模擬對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓工藝的壓力制度進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)字化方法，該方法包括有制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元、成型工藝參數(shù)設(shè)置單元、材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元、樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元、制件質(zhì)量預(yù)測(cè)單元、工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)與方法單元、優(yōu)化工藝參數(shù)單元。該方法通過(guò)遺傳算法，利用樹(shù)脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元樹(shù)脂流動(dòng)與纖維密實(shí)關(guān)系式G1和纖維承載壓力與纖維體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式G2，在溫度制度的基礎(chǔ)上，可以對(duì)壓力大小和加壓時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，獲得滿(mǎn)足目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)以及分布，效率最高且工程可行的壓力制度。采用本發(fā)明獲取的優(yōu)化工藝參數(shù)與熱壓成型中的數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，可以指導(dǎo)樹(shù)脂基復(fù)合材料等厚層板熱壓成型的工業(yè)化作業(yè)，縮短研制周期、降低制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101089754SQ200710117730
公開(kāi)日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月22日
發(fā)明者李敏, 李艷霞, 張佐光, 顧軼卓 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)