CN113306051A - 固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，包括以下步骤：使型面与目标复合材料构件的表面贴合，以目标复合材料构件作坯件，仿真得到成型后的复合材料构件；对成型模具的型面进行等距离反向补偿调整，将目标复合材料构件按对应位置放置在补偿后的型面上，施加压力得到第二构件，且其下表面与第一型面相贴合；以第二构件作为坯件，以第一型面作为成型模具的型面，得到成型后的复合材料构件，记作第三构件；将第三构件与目标复合材料构件的偏差在预设范围内，则完成型面确定；若偏差超出预设范围，则再重复上述步骤。本发明能够对固化成型复合材料构件的模具型面进行快速、精确的确定，从而提高成型模具的设计和加工效率。

Description

固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法
技术领域
本发明涉及一种固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，属于复合材料成型技术领域。
背景技术
目前，复合材料越来越多地应用于航空航天等各领域，比如在飞机制造中，复合材料的大量应用不但有效地减轻了机体整体的重量，而且还增加了机体的强度和刚度。但是，如果复合材料构件的外形结构达不到设计要求，对装配连接等方会面造成极大的影响。
现有的复合材料成型工艺多采用热压罐固化成型工艺，复合材料构件在固化过程会产生不可避免的变形，而其变形量很难通过直观的方式进行预估或计算，传统方法多采用试验手工调整型面，这给复合材料构件的生产和制造带来了很大的困难。
为降低固化变形带来的影响，实际生产制造之前往往会先对复合材料进行固化变形分析，然后根据分析结果对模具的型面进行补偿，以寻求最合适的成型模具型面。但是，在对复合材料构件的初始成型模具的型面进行补偿之后，往往还需要对复合材料构件的外形进行重构，即重新设计与补偿后的模具型面相对应的构件形状，与构件相配合的其他零件也需要再进行调整，这就需要耗费大量的时间。而由于用于航空航天等各领域的复合材料构件往往含有翼梁、肋板、桁条等复杂构件，从而决定了无法像薄壁零件那般采用传统的方式对复杂构件进行自适应调整。
因此如何快速、精确成型复杂的复合材料构件，成为了亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种用于固化成型复合材料构件的模具型面的快速、精确的确定方法，可以提高成型模具的设计和加工效率。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，包括以下步骤：
第一步、使成型模具的型面与目标复合材料构件的表面贴合，以目标复合材料构件作坯件，对目标复合材料构件的成型过程通过有限元方法进行仿真，得到成型后的复合材料构件，记作第一构件；
第二步、根据第一构件相对所述目标复合材料构件的变形情况，对成型模具的型面进行反向补偿调整，得到补偿后的成型模具的型面，记作第一型面；
第三步、将目标复合材料构件按对应位置放置在第一型面上，在目标复合材料构件上表面施加压力，使目标复合材料构件发生非线性弹性变形，弹性变形后的复合材料构件记作第二构件，所述第二构件的下表面与第一型面相贴合；
第四步、以第二构件作为坯件，以第一型面作为成型模具的型面，对复合材料构件的成型过程通过有限元方法进行仿真，得到成型后的复合材料构件，记作第三构件；
第五步、将第三构件与目标复合材料构件进行对比，若第三构件与目标复合材料构件之间的偏差在预设范围内，则第一型面即为所需的成型模具的型面；
若第三构件与目标复合材料构件之间的偏差超出预设范围，则根据第三构件相对所述目标复合材料构件的变形情况，对第一型面进行反向补偿调整，将补偿后的成型模具的型面作为第一型面，然后返回执行第三步。
需要说明的是，通过有限元仿真方法对复合材料构件的成型过程进行仿真为现有技术，比如可参考2017年(第三届)中国航空科学技术大会的会议论文《复合材料典型U形件及整体框梁壁板固化变形仿真研究》（作者为：刘望子、陈正生和汪心文），不再赘述。
本发明主要针对无法采用传统构件重构方法的非薄壁件复合材料构件，利用有限元仿真对构件的成型过程进行反向解析，通过迭代计算反推出成型目标复合材料构件的模具型面。因此本发明提供了一种快速准确的模具型面确定方法，利用该型面只需少量的试验和修整便能够完成模具的设计和制造，为模具设计和生产减少了工作量。而且，通过本发明方法，不再需要对与目标复合材料构件相配合的其他零件再进行调整，克服了现有技术中成型模具修改后需要对复杂构件进行重构的缺陷，从而节约了时间，提高了工作效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是成型模具的型面在补偿前后的对比示意图。
图2是施力前目标复合材料构件与第一型面的示意图。
图3是对目标复合材料构件施力时的示意图。
图4是施力后目标复合材料构件与第一型面的示意图。
图5是避免施力的区域示意图。
其中，图1中上方的虚线为成型模具的型面在补偿前的示意图，下方的实线表示成型模具的型面在补偿后的示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例以图2中所示目标复合材料构件（已进行有限元网格划分）为例， 本实施例的固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，包括以下步骤：
第一步、使成型模具的型面与目标复合材料构件的表面（如图1中虚线部分所示）贴合，以目标复合材料构件作坯件，对目标复合材料构件进行网格划分，同时对目标复合材料构件的成型过程通过有限元方法进行仿真，得到成型后的复合材料构件，记作第一构件；
第二步、根据第一构件相对所述目标复合材料构件的变形情况，对成型模具的型面进行反向补偿调整，得到补偿后的成型模具的型面（如图1中实线部分所示），记作第一型面。
第三步、如图2和图3所示，将目标复合材料构件按对应位置放置在第一型面上，在目标复合材料构件上表面施加压力，使目标复合材料构件发生非线性弹性变形，弹性变形后的复合材料构件记作第二构件，所述第二构件的下表面与第一型面相贴合。施加的压力不能太大，否则可能使目标复合材料构件产生塑性变形，塑性变形后的复合材料构件会影响后续结果。
优选的，对于在施力前所述目标复合材料构件下表面与第一型面已经贴合的区域，所述第二构件的下表面与第一型面之间的间隙保持为零，而对于其他区域，所述第二构件的下表面与第一型面之间的间隙应保证大于零但小于预设值（在仿真时，预设值可设置在0.1mm以下），以此作为施加压力的限制条件，即保证第二构件与第一型面建立了良好的接触关系而相贴合，但又不会因施加压力太大，使目标复合材料构件产生非弹性变形而被压坏，影响本发明结果的准确性。
优选的，在目标复合材料构件上方施加压力时，对施力区域和大小进一步限制：比如，目标复合材料构件的网格单元的扭曲率应小于0.2，以此作为施加压力大小和施力区域的一个限制条件，避免在受力情况下有限元网格发生严重变形，在此条件限制下，施力区域应避免翼梁、肋板、桁条等零件的部分区域，如图5中的区域Ⅱ所示，因为这些零件的部分区域面积较小，这样容易导致部分网格的严重变形甚至完全改变这些零件的初始形状；再比如，对于在施力前所述目标复合材料构件下表面与第一型面已经贴合的区域，排除在施力区域外，如图5所示区域I部分，这样可防止引起此处网格的严重变形，影响仿真的结果。
需要说明的是，网格单元扭曲率的定义为现有技术，比如：对于四面体网格单元，网格单元扭曲率的通常定义为单元相邻边夹角与60°之间差值的绝对值与60°的比值，而对于六面体网格单元，网格单元扭曲率的通常定义为单元相邻边夹角与90°之间差值的绝对值与90°的比值。
第四步、以第二构件作为坯件，以第一型面作为成型模具的型面，对复合材料构件的成型过程通过有限元方法进行仿真，得到成型后的复合材料构件，记作第三构件；
第五步、将第三构件与目标复合材料构件进行对比，若第三构件与目标复合材料构件之间的偏差在预设范围内，则第一型面即为所需的成型模具的型面；
若第三构件与目标复合材料构件之间的偏差超出预设范围，则根据第三构件相对所述目标复合材料构件的变形情况，对第一型面进行反向补偿调整，将补偿后的成型模具的型面作为第一型面，然后返回执行第三步。
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 (5)

1.一种固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、使成型模具的型面与目标复合材料构件的表面贴合，以目标复合材料构件作坯件，对目标复合材料构件进行网格划分，并对目标复合材料构件的成型过程通过有限元方法进行仿真，得到成型后的复合材料构件，记作第一构件；
第二步、根据第一构件相对所述目标复合材料构件的变形情况，对成型模具的型面进行等距离反向补偿调整，得到补偿后的成型模具的型面，记作第一型面；
第三步、将目标复合材料构件按对应位置放置在第一型面上，在目标复合材料构件上表面施加压力，使目标复合材料构件发生非线性弹性变形，弹性变形后的复合材料构件记作第二构件，所述第二构件的下表面与第一型面相贴合；
第四步、以第二构件作为坯件，以第一型面作为成型模具的型面，对复合材料构件的成型过程通过有限元方法进行仿真，得到成型后的复合材料构件，记作第三构件；
第五步、将第三构件与目标复合材料构件进行对比，若第三构件与目标复合材料构件之间的偏差在预设范围内，则第一型面即为所需的成型模具的型面；
若第三构件与目标复合材料构件之间的偏差超出预设范围，则根据第三构件相对所述目标复合材料构件的变形情况，对第一型面进行等距离反向补偿调整，将补偿后的成型模具的型面作为第一型面，然后返回执行第三步。
2.根据权利要求1所述的固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，其特征在于：步骤三中，对于在施力前所述目标复合材料构件下表面与第一型面已经贴合的区域，所述第二构件的下表面与第一型面之间的间隙保持为零，而对于其他区域，所述第二构件的下表面与第一型面之间的间隙应保证大于零但小于预设值，以此作为施加压力的限制条件。
3.根据权利要求1或2所述的固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，其特征在于：第三步中，在目标复合材料构件上方施加压力时，目标复合材料构件的网格单元的扭曲率应小于0.2。
4.根据权利要求1或2所述的固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，其特征在于：第三步中，对于在施力前所述目标复合材料构件下表面与第一型面已经贴合的区域，排除在施力区域外。
5.根据权利要求1所述的固化复合材料构件的成型模具的型面确定方法，其特征在于：第五步中，计算第三构件与目标复合材料构件之间的偏差时，对第三构件的有限元网格模型与目标复合材料构件的有限元网格模型进行对比，获得两者各对应节点之间的偏差距离；如果最大偏差距离在预设的误差允许范围内，则认为第三构件与目标复合材料构件之间的偏差在预设范围内；否则认为第三构件与目标复合材料构件之间的偏差不在预设范围内。
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