CN113742864B - 基于全局补偿量的复合材料固化变形的协同控制方法 - Google Patents
基于全局补偿量的复合材料固化变形的协同控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于全局补偿量的复合材料固化变形的协同控制方法，包括以下步骤：确定保温时间、降温时间和压力值作为待控制的工艺参数，选取k组固化工艺；建立复合材料构件的有限元分析模型和对应的模具理论模型；利用k组固化工艺，分别对复合材料构件的成型过程进行仿真，得到k组仿真构件模型和对应的固化变形量位移云图；并最终计算得到全局补偿量最小值；根据全局补偿量最小值对成型模具的成型面进行补偿；最终固化成型。本发明能够对具有大型复杂截面的复合材料构件高质量固化成型，从而实现对大型复杂截面的复合材料构件固化变形的高效控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于全局补偿量的复合材料固化变形的协同控制方法，属于热压罐成型技术领域。
背景技术
热压罐成型工艺的大型复杂截面的复合材料构件固化变形主要是由于热变形、模具膨胀系数差异及基体树脂的化学反应等多种因素所造成，因此，需要对固化变形(即固化后的回弹)进行控制。
现有的固化变形控制方法多为单一的控制方法，或者对工艺参数进行，或者对模具型面进行补偿。但是，无论是工艺参数还是模具型面补偿，仅考虑单一的几个关键截面的节点进行控制及补偿，补偿难度较大，导致复合材料构件的最终成型结果不准确，尤其是针对大型复杂截面的复合材料构件控制及补偿的局限性更大，无法实现具有大型复杂截面的复合材料构件的高质量成型。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种能够对具有大型复杂截面的复合材料构件高质量固化成型的方法，从而实现对大型复杂截面的复合材料构件固化变形的高效控制。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于全局补偿量的复合材料固化变形的协同控制方法，包括以下步骤：
步骤一、根据复合材料构件的固化工艺曲线，确定保温时间、降温时间和压力值作为待控制的工艺参数，选取k组固化工艺，其中，k＝2x，x为整数且x≥3，所述保温时间、降温时间和压力值均位于相应的预设范围内；
步骤二、建立复合材料构件的有限元分析模型和对应的模具理论模型，所述模具理论模型的成型面与复合材料构件的表面一致；
步骤三、基于步骤一得到的k组固化工艺，分别对复合材料构件的成型过程进行仿真，得到k组固化后的复合材料构件，记作仿真构件模型，同时得到对应的固化变形量位移云图；
假设仿真构件模型的表面具有m个网格和n个节点，对于每一组仿真构件模型均进行如下操作：
1)从固化变形量位移云图中找到仿真构件模型中所有网格节点的固化变形最大值和固化变形最小值；
2)根据下式计算仿真构件模型的加权固化变形平均值：
式中，Si是仿真构件模型的表面第i个网格的面积，hj是仿真构件模型的网格上第j个节点沿法向投影到模具理论模型的成型面的距离；
3)根据下式计算仿真构件模型的固化变形均方根值：
式中，hj是仿真构件模型的网格上第j个节点沿法向投影到模具理论模型的成型面的距离；
步骤四、将步骤三得到k组加权固化变形平均值、固化变形均方根值、固化变形最小值和固化变形最大值，按以下方法选取全局补偿量最小值：
S41、将k组加权固化变形平均值按照从小到大的顺序进行排列，选取前k/2+1组加权固化变形平均值，并找出相对应的固化变形均方根值；
S42、将步骤S41得到的k/2+1组固化变形均方根值从小到大排列，选取前k/4+1组固化变形均方根值，并找出相对应的固化变形最小值；
S43、将步骤S42得到的k/4+1组固化变形最小值从小到大进行排列，选取前k/8+1组固化变形最小值，并找出相应的固化变形最大值；
S44、将步骤S43得到的k/8+1组固化变形最大值从大到小排列，最后选取固化变形量最大值中的极小值，作为全局补偿量最小值，并得到全局补偿量最小值所对应的仿真构件模型的网格型面；
步骤五、根据全局补偿量最小值所对应的仿真构件模型的网格型面进行反向补偿，得到成型模具的成型面，并依此制得热压罐工艺成型模具；
步骤六、采用步骤五制得的热压罐工艺成型模具，以全局补偿量最小值所对应的固化工艺对复合材料构件进行固化成型。
本发明通过二级协同控制复合材料构件的成型质量，其中：第一级控制为利用全局补偿量最小值准则，选取合理的固化工艺参数组合，第二级控制为模具型面补偿。第一级控制通过全局补偿量最小值准则选取合理的固化工艺参数组合，可以控制复合材料构件在成型过程中的每一个节点的回弹变形量，从而得到模具补偿难度最小的型面网格；第二级控制根据模具补偿难度最小的型面网格进行等距反向补偿制造热压罐工艺成型模具，提高了模具型面的补偿精度，尤其适用于热压罐工艺大型复杂截面的复合材料构件的高质量成型，从而使制得的复合材料构件不存在明显的局部凸显，最终成型结果更为准确。
本发明克服了现有技术中仅考虑单一的几个关键截面的节点进行控制及补偿，导致补偿难度较大、构件的最终成型结果不准确的缺陷，根据通过全局补偿量最小值准则从零件整体考虑作补偿，从而降低了模具型面补偿的相对误差值，不再需要针对构件大变形量的补偿，也就降低了模具型面的补偿难度。另外，本发明在设计阶段就能够很好的实现对复合材料构件最终成型质量的有效控制，从而减少试验、修改、再试验的反复迭代过程，提升了模具和工艺的设计效率并降低了成本。
本发明主要针对大型复杂截面的复合材料构件在固化成型时的补偿工作，将现有技术中固化变形补偿难以解决的问题进行简化，通过两步简单的控制步骤完成较难问题的求解，不仅能够正向优化工艺曲线、反向补偿模具型面，降低各独立控制固化变形难度，又能降低构件内部残余应力，从而降低固化变形量，实现复合材料的高质量成型。申请人实践表明，本发明方法中固化变形最大值相比于传统的单一模具型面补偿控制方法降低90％以上，制得的复合材料构件的整体固化变形量数值全局均匀性更好。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例中复合材料构件的三维有限元分析模型示意图。
图2是复合材料构件的固化工艺曲线。
图3是计算模具理论模型的网格节点投影到仿真构件模型表面的原理示意图。
图4是本发明方法得到的固化变形量位移云图。
图5是采用传统的单一模具型面补偿控制方法得到的固化变形量位移云图。
具体实施方式
实施例
本实施例以图1所示的某航天用复合材料构件的固化成型过程进行说明，该复合材料构件具有几何尺寸大及截面复杂的特点，其几何轮廓尺寸参见图1，单位为mm。
本实施例的基于全局补偿量的复合材料固化变形的协同控制方法，包括以下步骤：
步骤一、根据复合材料构件的固化工艺曲线(如图2所示)，确定保温时间、降温时间和压力值作为待控制的工艺参数，选取k组固化工艺，其中，k＝2x，x为整数且x≥3，所述保温时间、降温时间和压力值均位于相应的预设范围内，即保温时间、降温时间和压力值的选取应该符合相应标准或经验值。
一般来说，固化工艺选取的数量越多，结果越好，但是数量过多时，会影响计算速度。因此，本实施例按照全因子的DOE试验设计准则，将保温时间、降温时间和压力值共3个待控制的工艺参数，随机设计组合为8组固化工艺，即取k＝8。全因子的DOE试验设计准则具有重复设计、随机化和区组化的优点，以完全随机的方式安排试验的顺序，能够防止出现系统差异的影响，使实验分析更为有效。
步骤二、建立复合材料构件的有限元分析模型(如图1所示)和对应的模具理论模型，所述模具理论模型的成型面与复合材料构件的表面一致。
步骤三、基于步骤一得到的8组固化工艺，即设置温度、固化度和约束边界条件，分别对复合材料构件的成型过程进行仿真，得到k组固化后的复合材料构件，记作仿真构件模型，同时得到对应的固化变形量位移云图，如图4所示(单位：米)，固化变形量云图可采用热-化学或热-力学的顺序耦合方法，对复合材料固化成型过程进行分析得到。
假设仿真构件模型的表面(即与模具理论模型的成型面相接触的面)具有m个网格和n个节点，对于每一组仿真构件模型均进行如下操作：
1)从固化变形量位移云图中找到仿真构件模型中所有网格节点的固化变形最大值和固化变形最小值；
2)根据下式计算仿真构件模型的加权固化变形平均值：
式中，Si是仿真构件模型的表面第i个网格的面积，hj是仿真构件模型的网格上第j个节点沿法向投影到模具理论模型的成型面的距离，其原理如图3所示，带剖面线部分为仿真构件模型，弧形空心框部分为模具理论模型；
3)根据下式计算仿真构件模型的固化变形均方根值：
式中，hj是仿真构件模型的网格上第j个节点沿法向投影到模具理论模型的成型面的距离。
步骤四、将步骤三得到8组加权固化变形平均值、固化变形均方根值、固化变形最小值和固化变形最大值，按以下方法选取全局补偿量最小值：
S41、将k组加权固化变形平均值按照从小到大的顺序进行排列，选取前k/2+1＝5组加权固化变形平均值，并找出相对应的固化变形均方根值；
S42、将步骤S41得到的k/2+1组固化变形均方根值从小到大排列，选取前k/4+1＝3组固化变形均方根值，并找出相对应的固化变形最小值；
S43、将步骤S42得到的k/4+1组固化变形最小值从小到大进行排列，选取前k/8+1＝2组固化变形最小值，并找出相应的固化变形最大值；
S44、将步骤S43得到的k/8+1组固化变形最大值从大到小排列，最后选取固化变形量最大值中的极小值，作为全局补偿量最小值，并得到全局补偿量最小值所对应的仿真构件模型的网格型面。
步骤五、根据全局补偿量最小值所对应的仿真构件模型的网格型面进行反向补偿，得到成型模具的成型面，并依此制得热压罐工艺成型模具；
步骤六、采用步骤五制得的热压罐工艺成型模具，以全局补偿量最小值所对应的固化工艺对复合材料构件进行固化成型。
本实施例通过寻找全局补偿量最小值对应的确定了一组固化变形控制的工艺参数组合，并得到全局补偿量最小值及其复合材料构件的曲面型面网格。通过模具补偿方法，实现对大型复杂复合材料构件成型模具型面网格的快速、高效的设计。通过本发明的多级协同固化变形控制方法，利用全局补偿量最小值对应的工艺参数组合和模具补偿难度最小的型面网格。
在采用相同模具材料的前提下，申请人采用传统的单一模具型面补偿控制方法进行了对比实验，对图1所示的同一构件进行仿真，得到图5所示的固化变形量位移云图(单位:米)。对比图4可知，本发明方法中固化变形最大值相比于传统的单一模具型面补偿控制方法降低了96％，构件的整体固化变形量数值全局均匀性更好，无明显局部凸显，验证了本发明方法的正确性及有效性，实现对大型复杂截面的复合材料构件固化变形量的高效控制。
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)
1.一种基于全局补偿量的复合材料固化变形的协同控制方法，包括以下步骤：
步骤一、根据复合材料构件的固化工艺曲线，确定保温时间、降温时间和压力值作为待控制的工艺参数，选取k组固化工艺，其中，k＝2x，x为整数且x≥3，所述保温时间、降温时间和压力值均位于相应的预设范围内；
步骤二、建立复合材料构件的有限元分析模型和对应的模具理论模型，所述模具理论模型的成型面与复合材料构件的表面一致；
步骤三、基于步骤一得到的k组固化工艺，分别对复合材料构件的成型过程进行仿真，得到k组固化后的复合材料构件，记作仿真构件模型，同时得到对应的固化变形量位移云图；
假设仿真构件模型的表面具有m个网格和n个节点，对于每一组仿真构件模型均进行如下操作：
1)从固化变形量位移云图中找到仿真构件模型中所有网格节点的固化变形最大值和固化变形最小值；
2)根据下式计算仿真构件模型的加权固化变形平均值：
式中，Si是仿真构件模型的表面第i个网格的面积，hj是仿真构件模型的网格上第j个节点沿法向投影到模具理论模型的成型面的距离；
3)根据下式计算仿真构件模型的固化变形均方根值：
式中，hj是仿真构件模型的网格上第j个节点沿法向投影到模具理论模型的成型面的距离；
步骤四、将步骤三得到k组加权固化变形平均值、固化变形均方根值、固化变形最小值和固化变形最大值，按以下方法选取全局补偿量最小值：
S41、将k组加权固化变形平均值按照从小到大的顺序进行排列，选取前k/2+1组加权固化变形平均值，并找出相对应的固化变形均方根值；
S42、将步骤S41得到的k/2+1组固化变形均方根值从小到大排列，选取前k/4+1组固化变形均方根值，并找出相对应的固化变形最小值；
S43、将步骤S42得到的k/4+1组固化变形最小值从小到大进行排列，选取前k/8+1组固化变形最小值，并找出相应的固化变形最大值；
S44、将步骤S43得到的k/8+1组固化变形最大值从大到小排列，最后选取固化变形量最大值中的极小值，作为全局补偿量最小值，并得到全局补偿量最小值所对应的仿真构件模型的网格型面；
步骤五、根据全局补偿量最小值所对应的仿真构件模型的网格型面进行反向补偿，得到成型模具的成型面，并依此制得热压罐工艺成型模具；
步骤六、采用步骤五制得的热压罐工艺成型模具，以全局补偿量最小值所对应的固化工艺对复合材料构件进行固化成型。
2.根据权利要求1所述的基于全局补偿量的复合材料固化变形的协同控制方法，其特征在于：步骤一中，按照全因子的DOE试验设计准则，将保温时间、降温时间和压力值共3个待控制的工艺参数，随机设计组合为8组固化工艺，即k＝8。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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