CN108000896B - 一种l型板类复合材料制件的固化成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种L型板类复合材料制件的固化成型方法，包括：(1)采用敏感度分析法得到各层复合材料的总敏感度；(2)采用有限元分析程序得出各层复合材料的初始铺层角度；(3)采用多级连续设计方法对总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度进行设计，确定那层复合材料的铺层角度；(4)将步骤(3)得到的铺层角度作为定值，继续进行其余层复合材料的铺层角度的设计；(5)按照得到的铺层角度进行每层复合材料的铺层然后进行固化成型，即得。本发明提供了一种减少复合材料制件的固化成型过程的回弹变形方法，提高成型后制件的尺寸精度，使得无论是提升结构性能还是降低能源消耗方面都能有所贡献。

Description

一种L型板类复合材料制件的固化成型方法
技术领域
本发明涉及复合材料成型技术领域，特别涉及一种L型板类复合材料制件的固化成型方法。
背景技术
树脂基复合材料的固化回弹变形对构件的成型质量有较大的影响，随着构件的尺寸越大，相同的回弹角引起的最大位移偏差也越大。构件的回弹变形不仅会影响尺寸精度，还会引起装配应力，影响构件的使用寿命和质量，因此，复合材料固化成型方法中的回弹变形是需要解决的研究重点。目前，解决固化回弹变形的方法主要有两种，一种是改善制造工艺法，其中包括温度工艺曲线和压力工艺曲线的设计。在固化过程中，温度的变化和压力的加载对复合材料固化有较大的影响，该方法通过设计固化工艺曲线降低固化回弹变形，设计固化工艺不仅可以改善复合材料的成型质量，减小回弹变形，而且可以节约制造时间。另一种是模具补偿法，通过设计模具形状来补偿回弹变形，将固化过程的复合材料制件与模具设计方法相结合，获得最小的回弹变形。
对于复合材料固化成型工艺的设计，一般都是将设计重点集中于以制造时间最短为设计目标，在满足和温度相关的约束条件下对温度工艺曲线进行设计，以达到控制残余应力，减小回弹变形的目的。
针对固化变形的设计问题，目前大量的设计方法将关注点放在了温度和压力等工艺上，忽略了复合材料构件的铺层角度对回弹变形也具有重大影响。而有些针对铺层角度的设计仅仅是针对典型的铺层角度进行的，不具有普适性。因此本发明主要是将复合材料构件的铺层角度设计作为研究的重点，减少复合材料固化成型的回弹变形。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种减少复合材料制件的固化成型过程的回弹变形方法，提高成型后制件的尺寸精度，使得无论是提升结构性能还是降低能源消耗方面都能有所贡献。
基于上述目的，本发明提供了一种L型板类复合材料制件的固化成型方法，包括以下步骤：
(1)采用敏感度分析法得到各层复合材料的总敏感度，根据各层复合材料的总敏感度大小对各层复合材料的影响程度进行排序；
(2)采用有限元分析程序对复合材料的固化过程的有限元数值进行模拟，得出各层复合材料的初始铺层角度；
(3)采用多级连续设计方法首先对总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度进行设计，然后对复合材料制件进行仿真建模并对其进行回弹力学分析，当复合材料构件的回弹角最小时，即可确定总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度；
(4)将总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度作为定值，继续对总敏感度值次之的那层复合材料的铺层角度进行设计，依次类推，直至完成对每层复合材料的铺层角度的设计；
(5)按照得到的铺层角度进行每层复合材料的铺层，得到层合板，然后对层合板进行固化成型，即得。
在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，采用敏感度分析法得到各层复合材料的总敏感度的具体步骤为：
①构建各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料之间相互组合的模型，该模型在满足约束条件的情况下得到该模型的总方差；
②对该模型的总方差进行归一化，得到模型各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料之间相互作用的总敏感度。
在本发明的一些实施例中，在步骤①中，各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料相互组合的模型为：
约束条件为：
模型的总方差为：
其中，∫Ωf(x)dx＝f0，
在本发明的一些实施例中，在步骤②中，模型各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料之间相互作用的总敏感度为：
其中，Si为参数xi的一次敏感度，Sij为参数xi，xj之间的二次交叉项敏感度，STi为参数xi的总敏感度，参数xi为第i层复合复合材料。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，回弹角的计算公式为：
Δθ＝θ1+θ2 (公式Ⅰ)
其中，Δl1是指垂直位移，而Δl2为水平位移。其中l为侧壁长度，θ1和θ2分别为Δl1和Δl2所对应的回弹角。
在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，层合板的固化成型在热压罐中进行，热压罐的加热过程包括两个加热阶段、两个保温阶段和一个降温阶段，具体为：热压罐的初始温度均为20℃，在第一个加热阶段，热压罐环境温度以1.11℃/min的速度升温，当温度达到107℃时停止加热，并保温一小时；然后仍以1.11℃/min的速度升温直至温度达到177℃，保温两小时；最后是降温阶段，将热压罐环境温度降至室温。
在本发明的一些实施例中，热压罐的加压过程具体为：施加的初始压力大小为170KPa，并保持不变，当固化时间到达3h时，开始增大罐内压力，并迅速将压力提高到375KPa，直至固化工艺完成。
在复合材料L型板的固化成型过程，脱模布或脱模剂的作用是确保固化完成后的复合材料构件能够方便的从模具上取出，避免出现构件与模具粘结，破坏构件表面质量等情况。脱模布一般适用于预浸布所含树脂量较少或吸胶效果较好的试验中，若发生复合材料析胶过多，基体渗透脱模布，将导致模具与构件粘连，无法将构件顺利取下。而脱模剂则可以很好的避免上述情况发生，脱模剂是无色、有刺激性气味的液体。脱模剂可以直接涂抹在模具的表面，不需要再使用脱模布，成型完成后构件不会与模具发生粘结。相对于脱模布，脱模剂的优点突出，但是也存在使用复杂的缺点，因为在铺设层合板前需要在模具上涂抹脱模剂五次，每次时间间隔为15min，导致试验的时间延长。而本次试验为了达到较好的成型质量使用脱模剂为脱模辅助材料。
有孔隔离膜与无孔隔离膜均为隔离材料，其作用是将复合材料与辅助材料隔离开。有孔隔离膜是复合材料层合板和吸胶布之间的辅助材料，隔离膜上的小孔可以使多余的树脂基体通过小孔流向吸胶布，并被吸胶布吸收；另外，有孔隔离膜可以避免吸胶布和复合材料直接接触，以免造成过度吸胶导致成型后构件树脂含量过低，影响构件性能。有孔隔离膜也可使复合材料构件与吸胶布便于分离。无孔隔离膜是吸胶布和透气毡之间的辅助材料，其可以防止吸胶布中的树脂污染透气毡，造成透气毡堵塞，影响透气性能。
吸胶布透过有孔隔离膜将多余的树脂基体吸出，减少构件中的树脂含量。复合材料构件中的树脂含量可以影响其力学性能，因此吸胶布是辅助材料中对复合材料成型构件质量有较大影响的部分。不同的吸胶材料单位面积的吸胶量是不同的，需要根据预浸布树脂含量及成型构件要求确定吸胶布的用量。
透气毡介于无孔隔离膜及真空薄膜之间，在抽真空时，透气毡将形成一个透气通道，将复合材料构件内部的空气和辅助材料间的空气排出，以保证复合材料的成型质量。因为复合材料层合板的铺层方法一般为手工铺设，容易造成层间的空气残留，因此需要通过抽真空的方法排除残余空气，提高成型质量。
真空袋是由真空薄膜和真空密封胶带制成，可根据模具及复合材料构件的形状制作专用的真空袋。真空袋与真空嘴、真空管等共同构成热压罐的真空结构，在试验开始后，通过热压罐的真空装置，抽取真空袋内的空气，形成真空环境。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)与金属L型板相比，减重有较大的提升
(2)与普通复合材料L型板相比，抗弯扭能力有所提升；
(3)与普通复合材料L型板相比，抗劈裂能力有所提升；
(4)与制造普通复合材料L型板的工艺过程相比，抗回弹能力有所提升；
(5)与普通直线纤维复合材料L型板相比，可设计性较强。
附图说明
附图是结合具体的工艺实施方式，详细的说明了工艺走向。
图1是本发明的复合材料L形构件的几何示意图；
图2是本发明的实验模具的示意图；
图3是本发明的模具与L形构件的装配图；
图4是本发明的复合材料L形构件的铺层示意图；
图5是本发明的热压罐工艺曲线的示意图；
图6是本发明的最优铺层的复合材料L形构件的产品示意图；
图7是本发明的最优铺层的复合材料L形构件的分析结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
下面举L型板实例介绍本发明的固化成型方法：
复合材料L形构件的尺寸如图1所示，L型板的厚度为4.8mm，L型板包括横板和竖板，横板和竖板的长度均为51mm。横板和竖板的宽度均为51mm，横板和竖板连接处圆角的半径R＝4.6mm。模具的尺寸如图2所示，其中L形构件由8层单层复合材料构成，每层的厚度为0.2mm，模具的尺寸信息为72×72×350mm3。模具与复合材料L形构件的装配关系如图3所示，由于模具与复合材料结构的对称性，只建立了二分之一模型。构件的材料为碳纤维增强环氧树脂基预浸料(AS4/8552)，环氧树脂和AS4碳纤维的材料性能参数如表1和表2所示，固化动力学模型的参数见表3，模具的材料性能如表4所示。
表1碳纤维性能参数
表2树脂基体的材料参数
表3固化动力学模型参数
表4模具的材料性能
在本实施例中，一种L型板类复合材料制件的固化成型方法，包括以下步骤：
(1)采用敏感度分析法得到各层复合材料的总敏感度，根据各层复合材料的总敏感度大小对各层复合材料的影响程度进行排序；
采用敏感度分析法得到各层复合材料的总敏感度的具体步骤为：
①构建各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料之间相互组合的模型，该模型在满足约束条件的情况下得到该模型的总方差；
②对该模型的总方差进行归一化，得到模型各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料之间相互作用的总敏感度；
敏感度分析方法：
Sobol’法是一种基于方差的敏感度分析方法，该方法能够很好的处理非线性和非单调模型，对于数值分析来说，这个方法可以视为真正的全局敏感性分析方法。它另一个很重要的优点是可以考虑一阶、二阶以及更高阶的敏感性系数的影响。
对于模型Y＝f(x1,x2,…,xk)，模型可以分解为：
如果上式满足下面公式，则分解形式唯一。
记∫Ωf(x)dx＝f0，定义fi(xi)、fij(xi,xj)分别为下列公式，同理可获得f1,2,...,k(x1,x2,…,xk)：
模型的总方差为
对于参数xi，它对模型的影响程度用偏方差Vi＝∫fi 2dxi表示，参数之间的作用对模型结果的影响程度用偏方差表示。偏方差之间存在的关系是然后对进行归一化，得到参数的各阶敏感度
因此，我们称Si为参数xi的一次敏感度，Sij为参数xi，xj之间的二次交叉项敏感度，并以此类推得到k次敏感度S12...k。定义参数xi的总敏感度STi：
对上述过程进行简单地概括，可以得出Sobol’法是通过对模型的分解得到了方差的分解项，并由此得到各个参数的一阶、高阶交叉项以及总敏感度。通过对敏感度进行归一化，可以对各个参数的影响程度进行排序。
以8层单层复合材料为例，本实施例通过敏感度分析方法分别可得到参数xi(i为1～8)的总敏感度ST1，ST2，ST3，ST4，ST5，ST6，ST7和ST8，通过比较这8个STi值的大小来确定哪一层复合材料的影响程度最大，STi越大，影响程度越大。
本实施例根据复合材料L型板特性分析的结果可知，第五层的角度变化对复合材料固化回弹变形的影响较大。第一层和第六层的角度变化次之。在复合材料固化过程中，第一层是直接与模具接触的，因此该层的温度分布及残余应力产生均会受到模具热胀冷缩和热传递的影响，其铺层方式的变化会对回弹变形有较大的影响。第八层的敏感度值相较其他各层最小，其原因是第八层远离模具，其上表面直接与外界温度接触，受热比较均匀，在该层不会产生明显的温度梯度及残余应力。
(2)采用有限元分析程序对复合材料的固化过程的有限元数值进行模拟，得出各层复合材料的初始铺层角度；
本实施例采用ABAQUS软件及其二次开发功能来实现复合材料的固化过程的有限元数值模拟。为了提高有限元模型的精确度，采用单层赋予材料的方法分别给8层层合板赋予单层的材料性能。
由于碳纤维增强复合材料各向异性的特性，材料方向的定义尤其重要，正确的材料方向才能获得正确的仿真结果，因此需要准确的定义各层的材料方向，温度载荷的施加在第一个分析过程中完成，采用Interaction中的Surface film condition功能为L形构件及模具表面施加热对流载荷，以实现热压罐内高温环境的模拟。热压罐的加载温度及压力曲线如图5所示。该加热曲线包括两个加热阶段、两个保温阶段和一个降温阶段。层合板及热压罐的初始温度均为20℃，在第一个加热阶段，热压罐环境温度以1.11℃/min的速度升温，当温度达到107℃时停止加热，并保温一小时。然后仍以1.11℃/min的速度升温直至温度达到177℃，保温两小时。最后是降温阶段，将热压罐环境温度降至室温。在温度加载的同时，热压罐系统也对构件施加对应的压力，以提高其成型质量。热压罐施加的初始压力大小为170KPa，并保持不变，当固化时间到达3h时，开始增大罐内压力，并迅速将压力提高到375KPa，直至固化工艺完成。
树脂基复合材料固化完成后会产生回弹变形，导致L型构件的夹角减小，图7中红色实线内的网格状图形为变形前的L型部件的形状，而高亮颜色显示的部件则为变形后的复合材料构件的位移云图，可以发现构件发生了明显的回弹变形。由构件的约束方式可知圆角处施加的是固定约束，因此固化完成后此处的回弹变形位移为零，在位移云图中显示为深蓝色。在远离圆角的端点处，回弹变形的位移最大，在位移云图中显示为红色，位移值为0.7658mm。随着节点越接近圆角处，回弹变形的位移越小。因此，L型构件的回弹位移变形随着距离圆角的位置越远就会越大。复合材料构件的回弹角可以根据最大回弹位移和侧壁的长度计算，构件的最大回弹位移分别为Δl1、Δl2，所对应的回弹角分别为θ1和θ2，回弹角的计算方法如下面公式所示，最大位移是指垂直于L型构件的位移，例如Δl1是指垂直位移，而Δl2为水平位移。其中l为侧壁长度，其值为55.6mm。通过ABAQUS软件测量最大位移Δl1和Δl2的值均为0.712mm。通过计算可得，θ1＝θ2＝0.73°，因此总的回弹角度为Δθ＝1.46°。
Δθ＝θ1+θ2 (公式Ⅰ)
表5初始铺层角度方案
(3)采用多级连续设计方法首先对总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度进行设计，然后对复合材料制件进行仿真建模并对其进行回弹力学分析，当复合材料构件的回弹角最小时，即可确定总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度；
根据分级连续设计方法将L型复合材料的固化变形设计问题分为四级进行，复合材料构件的初始铺层方式为[0]8(如表5)，此时构件的回弹位移为3.56m，其所对应的回弹角为3.67°。采用多级连续设计方法完成第一次设计时，构件的回弹角减小到3.09°，与初始回弹角相比有所下降。
本发明采用有限元分析程序(ABAQUS软件)对各层的初步纤维方向角度设计完成的直线纤维复合材料L型板进行仿真建模并对其进行回弹力学分析，得出复合材料L型板最大回弹角度，如最大回弹角度满足实际工艺设计要求，则完成设计，不符合，继续改变各层的纤维方向角度，进行仿真力学分析，从而最终得到回弹性能优良的线纤维复合材料L型板。具体为：在ABAQUS软件优化各层复合材料的铺层角度过程中，首先在ABAQUS软件中输入第五层和第六层的铺层角度θi，会得到对应的回弹角，在优化过程中，当得到的回弹角最小时，即可确定第五层和第六层的铺层角度；
由于本实施例设计并不是仅选择典型的0°，30°，45°，90°等典型铺层角度，而是在整个[0,180°]的范围内选择任意铺层角度，所以设计变量的范围就是[0,180°]。
θi∈[0,180°] i＝1,2，…，8
(4)将总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度作为定值，继续进行总敏感度值次之的那层复合材料的铺层角度进行设计，依次类推，直至完成对每层复合材料的铺层角度的设计；
第一级设计完成后，将第一级的设计结果，既第五层和第六层的铺层角度作为定值，继续进行第二级的设计。第二级所优化的铺层为第一层和第三层，设计后的回弹角度为2.56°，相比初始铺层及第一级设计结果，回弹角有明显的下降。继续采用该方法对第三级及第四级的铺层角度进行设计，直至完成整个设计过程，最后得到第四级的回弹设计结果，最小的回弹角为0.86°。相比初始铺层回弹角，最终的设计结果下降了76.6％，有效减小了L型复合材料固化变形的回弹角，提高了复合材料构件的成型质量。四次设计的回弹位移及回弹角如表6所示。图7也表明各级优化对回弹角的优化均可达到一定的效果，在所有级别的优化都完成时，达到最好的优化结果。
本步骤采用与步骤(3)相同的方法，得到第一层和第三层的铺层角度，依次类推，直到得到所有铺层的铺层角度。
表6三次设计结果对比
优化后的L型复合材料构件的铺层角度如表7所示。相比初始铺层[0]8，各层的铺层角度发生了较大的变化，这也说明了铺层角度对复合材料的固化回弹变形有较大的影响。
表7优化后的铺层方式(°)
(5)按照得到的铺层角度进行每层复合材料的铺层(如图4所示)，得到层合板，然后对层合板进行固化成型，即得。
层合板的固化成型在热压罐中进行，热压罐的加热过程包括两个加热阶段、两个保温阶段和一个降温阶段，具体为：热压罐的初始温度均为20℃，在第一个加热阶段，热压罐环境温度以1.11℃/min的速度升温，当温度达到107℃时停止加热，并保温一小时；然后仍以1.11℃/min的速度升温直至温度达到177℃，保温两小时；最后是降温阶段，将热压罐环境温度降至室温。热压罐的加压过程具体为：施加的初始压力大小为170KPa，并保持不变，当固化时间到达3h时，开始增大罐内压力，并迅速将压力提高到375KPa，直至固化工艺完成。最终得到的L型板如图6所示。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种L型板类复合材料制件的固化成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用敏感度分析法得到各层复合材料的总敏感度，根据各层复合材料的总敏感度大小对各层复合材料的影响程度进行排序；
(2)采用有限元分析程序对复合材料的固化过程的有限元数值进行模拟，得出各层复合材料的初始铺层角度；
(3)采用多级连续设计方法首先对总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度进行设计，然后对复合材料制件进行仿真建模并对其进行回弹力学分析，当复合材料构件的回弹角最小时，即可确定总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度；
(4)将总敏感度值最大的那层复合材料的铺层角度作为定值，继续进行总敏感度值次之的那层复合材料的铺层角度进行设计，依次类推，直至完成对每层复合材料的铺层角度的设计；
(5)按照得到的铺层角度进行每层复合材料的铺层，得到层合板，然后对层合板进行固化成型，即得；
在步骤(1)中，采用敏感度分析法得到各层复合材料的总敏感度的具体步骤为：
①构建各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料之间相互组合的模型，该模型在满足约束条件的情况下得到该模型的总方差；
②对该模型的总方差进行归一化，得到模型各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料之间相互作用的总敏感度；
在步骤①中，各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料相互组合的模型为：
约束条件为：
模型的总方差为：
其中，∫Ωf(x)dx＝f0，
在步骤②中，模型各层复合材料及各层复合材料与各层复合材料之间相互作用的总敏感度为：
其中，Si为参数xi的一次敏感度，Sij为参数xi，xj之间的二次交叉项敏感度，STi为参数xi的总敏感度，参数xi为第i层复合复合材料。
2.根据权利要求1所述的L型板类复合材料制件的固化成型方法，其特征在于，在步骤(3)中，回弹角的计算公式为：
Δθ＝θ1+θ2 (公式Ⅰ)
其中，Δl1是指垂直位移，而Δl2为水平位移其中l为侧壁长度，θ1和θ2分别为Δl1和Δl2所对应的回弹角。
3.根据权利要求1所述的L型板类复合材料制件的固化成型方法，其特征在于，在步骤(5)中，层合板的固化成型在热压罐中进行，热压罐的加热过程包括两个加热阶段、两个保温阶段和一个降温阶段，具体为：热压罐的初始温度均为20℃，在第一个加热阶段，热压罐环境温度以1.11℃/min的速度升温，当温度达到107℃时停止加热，并保温一小时；然后仍以1.11℃/min的速度升温直至温度达到177℃，保温两小时；最后是降温阶段，将热压罐环境温度降至室温。
4.根据权利要求3所述的L型板类复合材料制件的固化成型方法，其特征在于，热压罐的加压过程具体为：施加的初始压力大小为170KPa，并保持不变，当固化时间到达3h时，开始增大罐内压力，并迅速将压力提高到375KPa，直至固化工艺完成。
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