CN113059825B - 一种非同步压实复合材料构件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种非同步压实复合材料构件的方法，其特征是在复合材料构件缺陷易发区域预置传感器，固化过程中根据传感器监测到的压实状态信号为每个位置匹配稳定压实的压力，逐个位置依次压实构件，消除复杂型面的复合材料构件压实过程中易于出现的架空分层、褶皱或者波纹等多种压实缺陷，突破现有压力成型中压实构件的技术瓶颈，提升复杂复材构件的设计和制造极限。本发明具有操作简便，压实效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料成型技术，尤其是复杂型面的复合材料构件成型技术，具体地说是在固化过程中非同步压实复合材料构件消除架空和褶皱等压实缺陷的方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优异特性。经过近40年的发展，复合材料广泛应用于航空等领域，大大减轻飞机的结构重量，缩短制造周期，从最初应用于次承力构件发展到应用于机身隔框、机翼翼梁等大型主承力构件。
现有压力成型中，为保证构件各位置压实，固化前预设压力曲线，固化过程中直接施加较大的气体压力压实构件。由于不同位置叠层滑移相互牵制，构件部分位置叠层容易未压实产生架空缺陷，部分位置滑移速度过快而产生褶皱缺陷，现有的压实控制方法已难以实现复杂型面的复合材料构件高品质压实。此外，叠层间摩擦因数受树脂粘度、叠层滑移速度和叠层间树脂层厚度等因素影响，在压实过程中呈现时变性，使得构件压实过程难以控制。
发明人经过悉心实验和理论研究，发现复杂型面结构的复合材料构件不同位置压实速度不同，对于已经压实的位置施加更大的压力不影响压实质量，进而提出非同步压实复合材料构件的方法。通过监测缺陷易发区域的压实状态为每个位置匹配稳定压实的压力大小和压实时间，从低到高依次施加各位置稳定压实的压力，实现非同步压实复合材料构件，有效控制构件压实过程，消除层间架空和褶皱缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有的复合材料构件压实控制方法难以实现复杂型面结构的复合材料构件高品质压实的问题，发明非同步压实复合材料构件的方法。
本发明的技术方案是：
非同步压实复合材料构件的方法，其特征在于：在复合材料构件压实缺陷易发区域预置1个及以上的传感器收集复合材料不同位置压实状态，加压过程中从低到高逐渐升高压力，当某个传感器监测到树脂开始流动或叠层开始滑移，以当前时刻压力作为该位置稳定压实的压力，保持压力直至该位置被压实，然后继续升高压力，确定下一个位置产生稳定压实的压力，迭代该过程直至所有位置均被压实。
复合材料在压实过程中，当施压的压力低于稳定滑移的压力时，叠层不能滑移，当施加的压力高于稳定滑移的压力时，滑移速度过快而引起滑移失稳。本发明通过为每个缺陷易发位置在线匹配稳定压实的压力，非同步压实整个复合材料构件。
由于层间滑移和层间的树脂流动同时发生，局部位置是否压实可以通过监测该位置层间树脂的流动状态来判断，存在树脂流动表明未压实，此处通过测量树脂是否流动监测复合材料压实状态。复杂型面的复合材料构件在拐角区域和曲率半径急剧变化的区域容易产生层间架空或褶皱等压实缺陷，在复合材料预制体铺层过程中将可监测压实状态的传感器放置在缺陷易发区域。
预制体表面放置好辅助材料后，对其抽真空，按照一定的温度工艺开始加热，在最优的加压时机开始缓慢升高压力(如罐压或者液体压力)，当某一个传感器监测到树脂开始流动时，以当前时刻的压力作为第一个位置产生稳定压实的压力，保持该压力(或者小的压力波动)直至该位置被压实，即监测到树脂流动停止，稳定压实的压力允许在±5％的误差范围内波动。然后继续升高压力，当其他传感器监测到树脂开始流动，确定第二个位置稳定压实的压力，保持该压力，直至第二个位置被压实，逐步迭代该过程直至所有区域被压实。
若用ki表示传感器i的压实状态，ki为1表示压实，ki为0表示未压实。压力控制信号u与前i个已压实位置的传感监测状态之间满足以下逻辑关系：
其中，“∧”表示逻辑“与”运算，u等于1表示升高压力，u等于0表示保持压力。i最大值为构件中放置传感器的个数n。
当采用上述方法为构件多个位置匹配到压实压力后，构件已初步压实，在最后一个压实压力下，后续的升温会使构件再次出现滑移，根据传感信号降低压力至压所有区域不发生滑移的压力。压力应协同温度变化进行控制，压力控制信号u与n个传感监测状态之间满足以下关系：
其中，u等于-1表示降低压力。
在树脂开始固化前，将压力再次升高至一定的压力水平，提高树脂的静水压力，降低孔隙缺陷。当所有传感器测到的树脂流动状态均停止时，可以判断整个构件均被压实，固化复合材料，固定已压实的构件形态。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了构件各位置稳定压实的压力在线匹配方法，克服了复合材料属性时变引起的各位置稳定压实压力难以确定的问题。
(2)本发明提出了温压协控方法，同时考虑温度和压力对构件压实过程的影响，保证复合材料构件高品质压实。
(3)本发明提出了复合材料构件非同步压实方法，克服现有压实控制方法的局限，消除复杂型面构件压实过程中易于出现的架空(分层)、褶皱或者波纹等多种压实缺陷，提升复合材料构件的设计和制造极限。
附图说明
图1复杂的双曲复合材料构件型面几何示意图。
图2在区域Ⅱ和Ⅲ布置传感器示意图。
图3(a)复合材料固化过程中实时监测到的传感信号，(b)温度曲线和自适应控制形成的压力曲线。
图4(a)常规压力成型工艺下压实的复合材料构件，(b)非同步压实的复合材料构件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示。
本实例选取一个双曲型面的复合材料构件，来说明非同步压实复合材料构件的方法，不限于本实例。
通过对型面进行曲率半径分析，将拐角区域和其相邻的面分别划分为独立区域。考虑到凸型区域一般不出现压实缺陷，将凸形拐角和其连接的面进行合并，最终该双曲型面的构件分为5个区域，如图1所示，其中区域Ⅲ和Ⅴ是将凸形拐角和相邻的面合并后的区域。
本实例中使用光纤微流传感器在线监测层间树脂流动状态，传感系统由光纤微流传感器、光源、光功率计和1×2的3dB耦合器组成。将3dB耦合器的2端分别与光源和光功率计相连，1端和光纤微流传感器相连。复合材料构件原材料为碳纤维/环氧复合材料T800/YPH-26预浸料，设计厚度为2mm、铺层方向[0，45，90，-45]3s，将准备好的预浸料逐层铺放在模具表面。拐角区域和面积较大的区域是容易产生褶皱和架空缺陷，在预制体第9层的区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中心沿增强纤维方向放置光纤微流传感器，如图2所示。将真空辅助材料依次放置于复合材料构件表面，构件边缘放置挡胶条，封装真空袋，预抽真空15min后，在热压罐中固化。
温度工艺为从室温以1℃/min升温至55℃，保温1h，然后以1.9℃/min升温至120℃，保温2h，最后自然冷却降温。微流传感器可以监测流动状态：树脂流动和树脂流动停止，以该传感器实时监测区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的压实状态。根据本发明中的压力控制信号与传感器实时监测的压实状态关系，进行热压罐气体压力的自适应控制。
三个区域实时监测的传感信号和自适应控制形成的压力曲线如图3所示。在最优加压时机，逐渐升高压力，48min时区域Ⅳ的传感信号RLI陡然下降，该区域树脂流动和滑移开始，其他位置未开始滑动，此刻182KPa的压力为触发区域Ⅳ产生稳定压实(滑移)的压力，保持压力直至该区域树脂流动停止。待该区域初步压实后，信号稳定，树脂流动基本停止。进一步升高压力,53min时区域Ⅱ的RLI信号开始陡然下降，区域Ⅱ在线匹配的稳定压实压力为287KPa，保持该压力，压实区域Ⅱ。迭代该过程，区域Ⅲ在线匹配的稳定压实压力为365KPa。
初步压实整个构件后，升高压力至520KPa，使监测到的传感信号尽可能接近，保证相近的压实程度。在温度工艺的第二个升温阶段，温度升高，树脂粘度下降，97min时区域Ⅲ的树脂开始再次流动，压力自动降低至350KPa，以协调温度变化，避免此时的压力再次驱动叠层滑移。
当温度升高至树脂的最低固化温度100℃(120min)，压力重新升高至800KPa，提高树脂的静水压力，溶解滞留在复合材料中的气泡。在该温度下增加保温平台，利用传感信号检查整个构件的压实状态。当传感信号的噪声均出现周期性波动时，证明构件被压实。然后降低压力至600KPa，快速固化复合材料构件。非同步压实复合材料构件方法中的压力曲线是以传感信号作为输入，根据控制策略自适应调控而形成的。
为对比构件压实质量，将该构件采用常规的热压罐工艺固化，固化前预设的压力工艺为厂商推荐的固定式压力工艺：在70℃时加压至600KPa，保持该压力直至固化完成降温到50℃泄压。在常规压力成型工艺下压实的复合材料构件如图4(a)所示，区域Ⅳ出现了严重的褶皱和树脂堆积缺陷，区域Ⅱ出现了大面积架空缺陷。采用本发明方法非同步压实的复合材料构件如图4(b)所示，整个构件表面平整，架空和褶皱压实缺陷完全被消除。
实例二。
本实例与实例一的区别是复合材料构件的形状为U形型面，在直边和U型圆弧最低点分别布置微流传感器，其余与上述实例一相同。
实例三。
本实例与实例一的区别是采用商用的介电传感器监测树脂流动。
实例四。
本实例与实例一、二和三的区别是，复合材料的厚度为2cm。
实例五。
本实例与实例一、二、三和四的区别是采用短切玻纤增强的树脂基复合材料。
实例六。
本实例采用quickstep压实复合材料构件，调整液体油压压力，非同步压实复合材料构件。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种非同步压实复合材料构件的方法，其特征在于：在复合材料构件压实缺陷易发区域预置1个及以上的传感器收集复合材料不同位置压实状态，加压过程中从低到高逐渐升高压力，当某个传感器监测到树脂开始流动或叠层开始滑移，以当前时刻压力作为该位置稳定压实的压力，保持压力直至该位置被压实，然后继续升高压力，确定下一个位置产生稳定压实的压力，迭代该过程直至所有位置均被压实；用ki表示传感器i的压实状态，ki为1表示压实，ki为0表示未压实，压力控制信号u与前i个已压实位置的传感监测状态之间满足以下逻辑关系：
其中，“∧”表示逻辑“与”运算，u等于1表示升高压力，u等于0表示保持压力，i最大值为构件中放置传感器的个数n；稳定压实的压力允许在±5％的误差范围内波动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：传感器通过测量树脂流动或叠层滑移监测复合材料压实状态。
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