CN109483772B - 一种热压罐用框架式复合材料变流道成型模具及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热压罐用框架式复合材料变流道成型模具及成型方法，该模具包括框架式底座及固定在底座上的成型板，所述底座由多块相互交叉连接的横向支撑板和纵向支撑板组成，所述横向支撑板和纵向支撑板上均设有若干散热孔；所述横向支撑板和纵向支撑板上设有与所述散热孔一一对应并用于启闭散热孔的活动挡板。其使用方法为：通过控制活动挡板启闭散热孔或者调整散热孔的开口大小使成型模具内形成不同的预设空气流道形式；在复合材料成型时，在保温阶段全部活动挡板收起从而完全打开所有散热孔，在升温阶段和降温阶段则采用不同的预设空气流道形式。本发明可以在复合材料成型时，使模具成型面的温度场分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种热压罐用框架式复合材料变流道成型模具及成型方法，属于复合材料成型技术领域。
背景技术
随着复合材料的不断开发与应用，因其具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等显著优点，越来越多的被应用到航空航天领域中。热压罐成型法是复合材料制件成型主要方法之一，热压罐成型时，按设计要求将预浸料裁剪成相应的形状，并按设计的方向铺贴在成型模具上，所有的辅助材料包括脱模织物、吸胶材料等铺贴好，对铺贴好的复合材料毛坯抽真空。抽成真空之后，讲整体放入热压罐内按照固化工艺曲线经历升温、加压，降温、降压等阶段，最终得到符合设计要求的复合材料构件。
热压罐工艺中，复合材料在罐内通常被模具和辅助材料完全包裹并进行真空封装，与罐内气体没有任何接触。热压罐的加热装置一般安放在罐内的某一段，在固化过程的升温阶段，热压罐持续启动加热装置并通过鼓风系统，使得罐内的气体不断地在一个循环腔内流动，以保证罐内气体的温度均匀上升。在降温阶段，则采用循环水冷却，通过冷却系统使空温降低，同样通过鼓风系统使罐内各处流体的温度降低。
对传统的框架式结构模具成型板进行实验，测得在升温阶段结束时，如图1所示，该成型板表面(成型面)的最大温差达到47度，迎风面到背风面温差逐步增大，在距离迎风端约80％的地方出现温度最低的区域，低温区域站模具平面面积约54％，因此模具的型面的温度分布相当不均匀。温度场的不均匀在很大程度上会影响复合材料制件的成型质量，导致复合材料构件受热不均匀，固化度不一致引起变形。因此如何改善复合材料构件温度场均匀性成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决技术问题是：提出一种成型面的温度场分布均匀的框架式结构成型模具以及该成型模具的成型方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是：一种热压罐用框架式复合材料变流道成型模具，包括框架式底座及固定在底座上的成型板，所述底座由多块相互交叉连接的横向支撑板和纵向支撑板组成，所述横向支撑板和纵向支撑板上均设有若干散热孔；所述横向支撑板和纵向支撑板上设有与所述散热孔一一对应并用于启闭散热孔的活动挡板。
优选的，所述散热孔呈方形，每一个散热孔的左、右两侧分别开设有左内槽和右内槽，在每一个散热孔的上、下两侧均设置有导轨；所述活动挡板由分别与左内槽、右内槽相匹配的左活动挡板、右活动挡板组成，所述左活动挡板和右活动挡板的顶端和底端均设有与导轨相配合的滑块。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是：一种使用技术方案之一所述的成型模具的复合材料成型方法，该方法通过控制活动挡板启闭散热孔或者调整散热孔的开口大小使成型模具内形成不同的预设空气流道形式；复合材料成型时，在保温阶段全部活动挡板收起从而完全打开所有散热孔，在升温阶段和降温阶段采用不同的预设空气流道形式。
为了提高制件温度场的均匀性，在现有技术中主要有两种方案：一是改进现有的固化工艺；二是提出新工艺、新方法成型复合材料制件。以往改进的方案中多采用传统式框架式结构，结构较为单一，无法进行直接的流道改进。
申请人经过长期的研究发现，在复合材料构件固化期间温度场随着加热进风口方向呈现梯度变化的现象，其中复合材料的外部温度的影响起到了主要作用。因此，本发明对常用的复合材料框架式模具进行改进，将散热孔通过挡板实现开合，而成型板表面的温度变化取决于其成型板与流体的外掠平对流换热和底部框格与模具成型板的热传导，框架式底座的迎风面对框架式底座的背风面的阻碍作用，且射流冲击换热的强度随着流向而降低，使得背风端框架温度降低，相对于迎风端，对成型板传递的热量较少。因此可在升温和降温不同阶段调整散热孔的开合，实现流道改变从而改善温度表面均匀性。
正因为冲击换热强度随着流向而损耗降低，因此通过控制散热孔的开合改善流道，使得高温区域降温循环相较于低温区域更快，从而实现改善表面温度均匀性。因此，上述技术方案之二的进一步改进是：在升温阶段时，所述框架式底座在迎风端打开所有散热孔，在背风端只打开中间的散热孔，使空气流道调整为T型流道形式；在降温阶段时，所述框架式底座在迎风端只打开中间的散热孔，在背风端打开所有散热孔，使空气流道调整为反T型流道形式，即在升温阶段将流道改为T型流道形式减少冲击换热的损耗，在降温阶段改为反T型流道形式。
上述技术方案之二的另一种改进是：通过软件模拟仿真得到在升温阶段、降温阶段时保证成型模具的成型面温度场均匀的升温阶段空气流道形式和降温阶段空气流道形式，然后在复合材料成型的升温阶段和降温阶段时空气流道分别采用升温阶段空气流道形式和降温阶段空气流道形式。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是现有成型板在升温阶段结束时的温度分布云图。
图2是本发明实施例中成型模具的结构示意图。
图3是图2中散热孔的部分示意图。
图4是图2中活动挡板的示意图。
图5是T型流道形式的示意图。
图6是一字形流道的示意图。
图7是十字形流道的示意图。
图8是U字形流道的示意图。
图9是采用全敞开框架时时成型板的温度分布云图。
图10是采用一字形流道时成型板的温度分布云图。
图11是采用十字形流道时成型板的温度分布云图。
图12是采用U字形流道时成型板的温度分布云图。
图13是采用T形流道时成型板的温度分布云图。
附图标记：活动挡板1，上导轨2，下导轨3，滑块4，螺钉5，横向支撑板10，纵向支撑板11，散热孔12。
具体实施方式
实施例一
本实施例为一种热压罐用框架式复合材料变流道成型模具，如图2-图4所示，包括框架式底座及固定在底座上的成型板(图中未示出)，所述底座由多块相互交叉连接的横向支撑板10和纵向支撑板11组成，所述横向支撑板10和纵向支撑板11上均设有若干散热孔12；所述横向支撑板10和纵向支撑板11上设有与所述散热孔12一一对应并用于启闭散热孔12的活动挡板1。如图2所示，横向支撑板10指与流体流动方向垂直的支撑板，纵向向支撑板11是指与流体流动方向平行的支撑板。
优选的，如图2所示，所述散热孔12呈方形，每一个散热孔12的左、右两侧分别开设有左内槽和右内槽(图中未示出)，在每一个散热孔12的上、下两侧分别设置有上导轨2、下导轨3；所述活动挡板1由分别与左内槽、右内槽相匹配的左活动挡板、右活动挡板组成，如图3所示，所述左活动挡板顶侧和底侧分别设有与上导轨2、下导轨3相配合的滑块4，上导轨2、下导轨3通过螺钉5固定在横向支撑板10或纵向支撑板11上，右活动挡板与左活动挡板基本对称并采用同样的设置。左活动挡板、右活动挡板可沿上导轨2、下导轨3滑动，通过调整左活动挡板、右活动挡板的移动距离，可以调整散热孔的开合度。当活动挡板、右活动挡板完全伸入到左内槽、右内槽时，散热孔完全打开，当活动挡板、右活动挡板完全伸出时，散热孔闭合。
实施例二
本实施例为一种使用实施例一的成型模具的复合材料成型方法，该方法通过控制活动挡板启闭散热孔或者调整散热孔的开口大小使成型模具内形成不同的预设空气流道形式；在复合材料成型时，在保温阶段全部活动挡板收起从而完全打开所有散热孔，在升温阶段和降温阶段采用不同的预设空气流道形式。
优选的，本实施例在升温阶段时，所述框架式底座在迎风端打开所有散热孔，在背风端只打开中间的散热孔，使空气流道调整为T型流道形式；在降温阶段时，所述框架式底座在迎风端只打开中间的散热孔，在背风端打开所有散热孔，使空气流道调整为反T型流道形式，即在升温阶段将流道改为T型流道形式减少冲击换热的损耗，在降温阶段改为反T型流道形式。
本实施例在最初的状态可通过自动闭合部分活动挡板将空气流道设置为T型流道形式，如图5所示，同时在成型板上安置热电偶进行温度实时监测，当温度达到第一次升温阶段所至最终温度时，反馈至驱动装置，全部活动挡板收起恢复至传统敞开式框架结构，当保温阶段结束时温度开始降低，再一次反馈至驱动装置，相应的活动挡板自动闭合，从而实现流道调节为反T型流道形式。驱动装置用于使活动挡板沿导轨滑动从而打开或关闭散热孔，可以采用电机或液压、气动的驱动方式。
通过启闭不同的散热孔，还可以组合形成其他的流道形式，比如图6所示的一字形流道、图7所示的十字形流道、图8所示的U字形流道，等等。
在具体实施时，本实施例中所述框架式底座为经典“鸡蛋箱”形状，当然也可以采用其他结构，但此次对比实验以此为标准型。
本实施例中模具尺寸为1700*1360*410，材料为Q235碳素结构钢，热压罐内流动其他为空气，模具和空气的热性能如表1所示，而热压罐的直径为3000mm，长度为6000mm。
表1材料的热性能参数
| 材料 | ρ/kg·m<sup>-3</sup> | c<sub>p</sub>/(kg·K)<sup>-3</sup> | k/W·(m·K)<sup>-1</sup> |
| 235碳素钢 | 7850 | 502 | 10 |
| 空气 | 1.225 | 1006.43 | 0.0242 |
其中ρ为密度，cp为热容，k为导热系数。
首先，对未加入任何挡风板的框架式模具进行模拟，即采用传统敞开式框架结构，验证模具温度场的分布情况。框架式模具模型在时间T＝9600s时模具成型板的温度分布如图9所示。从图9的温度场分布可以看出，在框架式模具全通风的情况下，在模具上距离模具进风口约80％的地方出现温度最低的区域，低温区域占模具平面面积将近50％，模具的温度场分布均匀性较差。温度方差为226.77K2。
为了加强低温区域的通风，本实施例分布采用一字型、十字型、U字型、T型风道结构，并对时间T＝9600s时进行模拟，成型板的温度分布图分别如图10-13所示。
为了改善模具整体的均匀性，设置一字型风道模型，三维结构图如图6所示，在没有气流通过的地方均关闭挡风板，改变气流的流向。从图10的模具整体温度场分布图可以看出，模具最低点温度区域得以改善，距离模具进风端80％的区域温度上升，温度最低点出现在模具的尾部，温度相较于图9说明此风道的设置对于改善模具温度场均匀性是有效的，此时温度方差为229.49K2。
根据一字型风道得到的模拟结果进一步设计十字型风道模型，三维结构图如图7所示，从图11中模具整体的温度场分布可以看出，由于十字通道后半部分挡风板挡住了气流的流向，造成了模具尾部的温度明显偏低，这样模具整体的温度均匀性就明显降低，此时温度方差为235.83K2。
根据十字型风道得到的模拟结果进一步设计U字型风道模型，三维结构图如图8所示，将模具后半部分挡板关闭，从图12中模具整体的温度场分布可以看出，模具尾部低温区域明显变大，模具整体的温度均匀性明显降低，此时温度方差为262.10K2。
从直风道模型的数值模拟结果可以看出，相对于十字型风道模型来说，整体的温度场得到了改善，但模具整体的温度场均匀性还是不够好，因此设计了T型风道再次进行模拟分析，三维结构如图5所示。从图13中模具整体的温度场分布可以看出，模具温度场的均匀性得到进一步改善，但是挡风板处的温度偏低，此时温度方差为212.59K2，相较于图9时226.77K2明显降低。因此可在升温阶段对挡风板进行T型改变，而在降温阶段进行反向T型改变，从而使得温度均匀性得到更好的改善。
本实施例可以作以下改进：通过软件模拟仿真得到在升温阶段、降温阶段时保证成型模具的成型面温度场均匀的升温阶段空气流道形式和降温阶段空气流道形式，然后在复合材料成型的升温阶段和降温阶段时空气流道分别采用升温阶段空气流道形式和降温阶段空气流道形式。而通过软件模拟仿真得到在升温阶段、降温阶段时保证成型模具的成型面温度场均匀的升温阶段空气流道形式和降温阶段空气流道形式为现有技术，可以通过Ansys等商业软件实现。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种使用热压罐用框架式复合材料变流道成型模具的复合材料成型方法，所述成型模具包括框架式底座及固定在底座上的成型板，所述底座由多块相互交叉连接的横向支撑板和纵向支撑板组成，所述横向支撑板和纵向支撑板上均设有若干散热孔；其特征在于：所述横向支撑板和纵向支撑板上设有与所述散热孔一一对应并用于启闭散热孔的活动挡板；通过控制活动挡板启闭散热孔或者调整散热孔的开口大小使成型模具内形成不同的预设空气流道形式；在复合材料成型时，在保温阶段全部活动挡板收起从而完全打开所有散热孔，在升温阶段和降温阶段则采用不同的预设空气流道形式；
在升温阶段时，所述框架式底座在迎风端打开所有散热孔，在背风端只打开中间的散热孔，使空气流道调整为T型流道形式；
在降温阶段时，所述框架式底座在迎风端只打开中间的散热孔，在背风端打开所有散热孔，使空气流道调整为反T型流道形式。
2.根据权利要求1所述的复合材料成型方法，其特征在于：通过软件模拟仿真得到在升温阶段、降温阶段时保证成型模具的成型面温度场均匀的升温阶段空气流道形式和降温阶段空气流道形式，然后在复合材料成型的升温阶段和降温阶段时空气流道分别采用升温阶段空气流道形式和降温阶段空气流道形式。
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