專利名稱：基于有限元分析的復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于有限元分析的復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法， 屬于復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工裝設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料因其高比強度、高比剛度、耐腐蝕、可設(shè)計等優(yōu)點，獲得了航空業(yè)的廣泛應(yīng)用，其用量已成為飛機先進性標志之一。目前，國內(nèi)航空企業(yè)主要采用熱壓罐成型工藝制造復(fù)合材料構(gòu)件。在成型過程中，復(fù)合材料構(gòu)件受到一定溫度和壓力，產(chǎn)生固化變形。這增加了構(gòu)件后繼加工和裝配的難度，變形過大時甚至導(dǎo)致構(gòu)件報廢，增加制造成本。熱壓罐成型工裝是復(fù)合材料構(gòu)件成型的基礎(chǔ)，它起到傳遞溫度和壓力、定位和保證型面尺寸精度的作用。在工裝設(shè)計中需要重點考慮的是工裝型面設(shè)計，這對復(fù)合材料構(gòu)件成型精度和質(zhì)量起著不可忽視的作用。傳統(tǒng)采用反復(fù)調(diào)整工裝的方法，來減小構(gòu)件的變形， 使其滿足尺寸精度要求。此方法主要依據(jù)經(jīng)驗，不能定量精確地把握修模程度，成型的復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸精度低，構(gòu)件型面精度得不到保證，為提高工裝成形制件的精度，需經(jīng)歷反復(fù)試錯修模，研制成本高，周期長。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，模擬復(fù)合材料構(gòu)件固化變形已日趨成熟?；谟邢拊治龅膹?fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法能夠定量快速地確定工裝的設(shè)計型面，保證構(gòu)件精度，提高生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)工裝設(shè)計直接取得構(gòu)件型面作為工裝型面，構(gòu)件固化成型后發(fā)生固化變形， 需通過反復(fù)修模來保證構(gòu)件的尺寸精度，效率低，成本高。針對這些問題，本發(fā)明目的在于基于構(gòu)件固化變形的有限元分析，通過構(gòu)件型面的節(jié)點位移量來補償工裝型面，達到構(gòu)件的尺寸精度要求，最終確定工裝設(shè)計型面。本發(fā)明提供了一種工裝型面設(shè)計的新方法，與傳統(tǒng)“試錯法”相比，能夠提高效率，節(jié)約成本，設(shè)計的工裝型面能夠保證構(gòu)件的尺寸精度。本發(fā)明的設(shè)計方案
一種基于有限元分析的復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法，適用于熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件的固化工藝制度、構(gòu)件幾何與材料參數(shù)、工裝支撐結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)已知的前提條件下進行，其特征在于，步驟如下
(1)由構(gòu)件設(shè)計型面P提取生成工裝的初始型面G；
(2)為第(1)步中兩型面劃分相同的網(wǎng)格，根據(jù)復(fù)合材料固化過程的多場耦合關(guān)系及材料的本構(gòu)關(guān)系，編寫有限元程序，實現(xiàn)構(gòu)件的固化變形分析，得到構(gòu)件固化變形后的型面；
(3)計算構(gòu)件型面各節(jié)點位移量AL，據(jù)此判斷構(gòu)件的尺寸精度是否滿足要求，若滿足要求，則進入第( 步；若不滿足要求，則進入第(4)步；(4)計算構(gòu)件節(jié)點沿坐標軸方向的位移量,補償?shù)焦ぱb型面節(jié)點上，得到新的工裝型面節(jié)點，擬合成新的工裝型面；
(5)完成上一步的工裝型面補償設(shè)計后，重復(fù)第C3)(4)步，直到補償后的工裝能夠保證構(gòu)件的成型精度，即完成工裝的型面補償設(shè)計。有益效果本發(fā)明是一種基于有限元分析的熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法，應(yīng)用這種設(shè)計方法，消除了傳統(tǒng)方法直接提取復(fù)合材料構(gòu)件型面設(shè)計工裝所造成的構(gòu)件精度低，需反復(fù)試錯修模的難題。在保證精度的前提下，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。


圖1為基于有限元分析的熱壓罐工裝型面設(shè)計方法流程圖。圖2復(fù)合材料固化過程多場耦合關(guān)系圖。圖3構(gòu)件固化變形有限元計算流程圖，圖中為凝膠點固化度，Ts為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。圖4構(gòu)件變形節(jié)點位移量示意圖，圖中，力節(jié)點變形前的節(jié)點，乂為變形后的對應(yīng)節(jié)點，Δ￡為趵和h距離之差。圖5構(gòu)件固化變形及工裝補償示意圖，圖中Pi、表示構(gòu)件或工裝上某節(jié)點，表
示構(gòu)件固化變形后對應(yīng)節(jié)點乂表示工裝補償設(shè)計后對應(yīng)節(jié)點；A表示固化變形后構(gòu)件型
面；B表示構(gòu)件的設(shè)計型面，也是工裝的初始設(shè)計型面；C表示補償設(shè)計后工裝的型面。圖6分析模型網(wǎng)格劃分及幾何尺寸示意圖，A、B、C、D為工裝對稱面上的四個點。圖7模具型面的補償過程及構(gòu)件變形，圖中共有四個型面，design為構(gòu)件的設(shè)計型面，即工裝的初始設(shè)計型面；defl為沒有對工裝進行補償設(shè)計，構(gòu)件變形后型面； design2為對工裝型面進行補償后的型面；def2為對工裝進行一次補償設(shè)計后，構(gòu)件的變形。
具體實施例方式一種基于有限元分析的熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法，適用于熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件的固化工藝制度、構(gòu)件幾何與材料參數(shù)、工裝支撐結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)已知的前提條件下進行。下面以圖6所示的柱面復(fù)合材料構(gòu)件為例來說明工裝型面補償設(shè)計方法的實施過程，工裝為圓柱形，厚度d為12mm，構(gòu)件厚度為5mm，內(nèi)側(cè)半徑為200mm。具體實施步驟如下
(1)由構(gòu)件設(shè)計型面P直接提取生成工裝的初始型面G，設(shè)計工裝結(jié)構(gòu)。(2)為第(1)步中構(gòu)件和工裝型面劃分相同的網(wǎng)格，根據(jù)復(fù)合材料固化過程的多場耦合關(guān)系及材料的本構(gòu)關(guān)系，基于通用有限元平臺開發(fā)程序，實現(xiàn)構(gòu)件的固化變形分析， 得到構(gòu)件固化變形后的型面。步驟O)的實現(xiàn)如下
a)建立熱壓罐幾何模型，根據(jù)固化工藝制度，定義熱壓罐內(nèi)空氣密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、 壓力、風(fēng)速等參數(shù)，使用通用有限元軟件平臺流體分析功能建立氣流場-溫度場耦合關(guān)系；
b)根據(jù)構(gòu)件樹脂材料參數(shù)，基于樹脂的固化動力學(xué)方程，開發(fā)程序定義樹脂的固化反應(yīng)，溫度影響樹脂的固化度，固化反應(yīng)放熱反作用于溫度，通過程序間的溫度和固化度傳遞，建立溫度場-化學(xué)場耦合關(guān)系
在已知或?qū)嶒灉y定固化參數(shù)的前提下，根據(jù)傅立葉傳熱定律和能量守恒定律，建立熱
壓罐內(nèi)熱傳導(dǎo)的控制方程
權(quán)利要求
1.一種基于有限元分析的熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法，適用于熱壓罐成型復(fù)合材料構(gòu)件的固化工藝制度、構(gòu)件幾何與材料參數(shù)、工裝支撐結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)已知的前提條件下進行，其特征在于，步驟如下(1)由構(gòu)件設(shè)計型面P提取生成工裝的初始型面G；(2)為步驟(1)中兩型面劃分相同的網(wǎng)格，根據(jù)復(fù)合材料固化過程的多場耦合關(guān)系及材料的本構(gòu)關(guān)系，編寫有限元程序，實現(xiàn)構(gòu)件的固化變形分析，得到構(gòu)件固化變形后的型面；(3)計算構(gòu)件型面各節(jié)點位移量AL，據(jù)此判斷構(gòu)件的尺寸精度是否滿足要求，若滿足要求，則進入第( 步；若不滿足要求，則進入第(4)步；(4)計算構(gòu)件節(jié)點沿坐標軸方向的位移量,補償?shù)焦ぱb型面節(jié)點上，得到新的工裝型面節(jié)點，擬合成新的工裝型面；(5)完成上一步的工裝型面補償設(shè)計后，重復(fù)第C3)(4)步，直到補償后的工裝能夠保證構(gòu)件的成型精度，即完成工裝的型面補償設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元分析的熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法，其特征在于所述的第(4)步中構(gòu)件節(jié)點沿坐標軸方向的位移量Ο^.Δ^Δζ)為構(gòu)件固化變形前后型面節(jié)點坐標值之差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于有限元分析的復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工裝型面設(shè)計方法，屬于復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型工裝設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。該方法首先以構(gòu)件設(shè)計型面作為工裝的初始型面；開發(fā)有限元程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件固化變形分析，得到構(gòu)件固化變形后的型面；在全局坐標系下，計算構(gòu)件各節(jié)點位移量 L，據(jù)此判斷構(gòu)件的尺寸精度是否滿足要求，若滿足，則完成工裝型面設(shè)計；若不滿足，則將構(gòu)件節(jié)點沿坐標軸方向的位移量補償?shù)焦ぱb型面節(jié)點上，得到新的工裝型面；重復(fù)有限元分析及判斷過程，直到得到滿足精度要求的工裝型面為止。該方法解決了傳統(tǒng)設(shè)計方法由構(gòu)件型面直接提取生成工裝型面，然后根據(jù)構(gòu)件變形反復(fù)修模的問題，提高了構(gòu)件成型精度，降低了研制成本。
文檔編號G06F17/50GK102567582SQ20111045198
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者萬世明, 張吉, 李楠埡, 李迎光, 杭翔 申請人:南京航空航天大學(xué)