CN114030201A - 拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺 - Google Patents

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Abstract

一种拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，通过使用有限元分析软件施加预载荷，模拟结构固化过程中承载情况，在气囊初始形状确定的基础上，求得满足力学平衡的预应力场和预位移场分布。在获取初始平衡态后，以反馈结果选择危险点作为优化约束，使用拓扑优化对气囊结构进行重新找形及设计，从而找到最佳的气囊设计结构。本发明对常规等厚度气囊截面形状进行拓扑优化，用于复合材料夹芯结构制作，特别是涉及梯形、三角形或梯形形等截面轮廓线不平滑的复合材料夹芯结构成型工艺，提升气囊的制作精度、重复使用能力和提升抗压能力。

Description

拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料领域的技术，具体是一种拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺。
背景技术
对于夹芯结构的制备根据芯材的特点有不同的制备方法，比如蜂窝夹芯结构可采用胶结法和焊接法等。这些制备过程大都依赖于模具和粘结剂，制备成本高，固化压力不易确定，且面芯之间容易产生脱粘，不能保证产品质量。
气囊辅助成型是将预成型体铺放在密封的气囊上，置入模腔内，通过气囊充压压实预成型体，使预成型体贴附在模腔内表面赋形。由于为一体成型方式不需要胶粘与二次固化，工艺精简且不会发生脱粘。预成型体的外形与最终构件的外形并不一样，预成型体铺放在气囊上，置入模腔后即充压使得预成型体贴附在模腔内壁上，空腔构件的外形是靠模腔的内壁形状保证的。而常规气囊充压固化时容易因位移不均匀发生局部鼓胀，以及因应力集中造成应力集中，直接影响复合材料夹芯结构的表面精度。
发明内容
本发明提出一种拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，对常规等厚度气囊截面形状进行拓扑优化，用于复合材料夹芯结构制作，特别是涉及梯形、三角形或梯形形等截面轮廓线不平滑的复合材料夹芯结构成型工艺，提升气囊的制作精度、重复使用能力和提升抗压能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，包括：
步骤1、使用有限元分析软件进行预分析，对结构进行形状重构，并进行材料参数赋予。根据复合材料固化过程的合模压力和升温过程，使用对结构施加等效载荷，模拟复合材料高温固化过程中的载荷形式，生成位移和应力云图，完成优化约束和体积约束选定；
步骤2、在满足体积约束条件下，对优化约束进行拓扑优化，直至气囊形状不随迭代次数增加而改变，危险性点处位移值完成收敛，拓扑优化结束。输出优化后的形状，并对边缘平滑处理，为防止应力集中，在尖端处取圆弧处理，得到拓扑优化气囊；
步骤3、对拓扑优化后的气囊形状进行三维化处理，根据三维模型进行气囊制作，并对制作完毕的气囊进行表面处理，完成拓扑优化气囊的制作。在气囊上铺设复合材料预浸料并与刚性外模进行组装，其中气囊用作固化过程的芯模。对气囊施加充气压力，以及使用刚性外模对预浸料施加合模压力，用于排挤复合材料预浸料中的缝隙与气泡，完成固化前的赋形。
步骤4、将组装好的构件按照特定温度梯度进行加热固化，固化时对气囊进行充气保压以维持气囊形状，固化完毕后将气囊抽为负压，剥离并撤去气囊以及刚性外模，得到复合材料夹芯结构试件。
技术效果
本发明的拓扑优化气囊辅助成型的复合材料梯形夹芯结构，通过使用有限元分析软件施加预载荷，模拟结构固化过程中承载情况，在气囊初始形状确定的基础上，求得一个满足力学平衡的预应力场和预位移场分布。在获取初始平衡态后，以反馈结果选择危险点作为优化约束，使用拓扑优化对气囊结构进行重新找形及设计，从而找到最佳的气囊设计结构。
本发明使用气囊作为芯模对复合材料夹芯结构进行一体化成型，不需要对芯子和面板分别制作与胶粘，提升了复合材料夹芯结构的力学性能；
本发明使用拓扑优化对对气囊形状重新找形及设计，使气囊作为芯模实际使用时，应力场和位移场更加均匀，提升了复合材料夹芯结构的制作精度。
附图说明
图1为气囊拓扑优化流程示意图；
图2为梯形夹芯结构单胞模型示意图；
图中：(a)几何尺寸图；(b)载荷形式图；
图3为气囊拓扑优化示意图；
图4为气囊与梯形夹芯结构装配示意图；
图中：(a)为立体示意图；(b)为侧视图；
图5为气囊结构与加载示意图；
图中：(a)均匀厚度气囊；(b)拓扑优化气囊；
图6为复合材料梯形夹芯结构的应力场图；
图中：(a)均匀厚度气囊；(b)拓扑优化气囊；
图7为复合材料梯形夹芯结构的位移场图；
图中：(a)均匀厚度气囊；(b)拓扑优化气囊；1a等厚度气囊、1b拓扑优化后的气囊、1c充气管、2复合材料梯形夹芯结构、2a危险点处。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种拓扑优化气囊辅助成型的复合材料夹芯结构的制备方法，包括：
步骤1、使用有限元分析软件进行预分析，对复合材料梯形夹芯结构进行形状重构，并进行材料定义。根据复合材料固化过程的合模压力和升温过程，使用对结构施加等效载荷，模拟复合材料高温固化过程中的载荷形式，生成位移和应力云图，完成优化约束和体积约束选定。
所述的预分析是指：对有限元模型截取不具有重复阵列形的单元建立如图2a所示的单胞模型，并根据实际结构制作过程中的材料参数和载荷形式进行材料参数赋予和载荷形式定义，通过有限元分析软件进行前期仿真分析，得到平衡预应力场和位移场形态。
所述的单胞模型包括：复合材料梯形夹芯结构2以及设置于其内部的等厚度气囊1a。
所述的材料定义是指：梯形夹芯结构单元材料为碳纤维/双马树脂复合材料；气囊采用硅橡胶。
所述的载荷形式包括：为模拟梯形夹芯结构单元固化过程中的约束情况，对结构单元下侧使用固定约束；为模拟刚性外模合模压力，对结构单元上侧施加均匀压力；模拟气囊充气压力，对气囊内部施加气压；为模拟固化温度场，对结构进行整体升温。
所述的优化约束是指：根据平衡预应力场和位移场形态，得出均匀气囊结构中在复合材料梯形夹芯结构下缘中心位置有较明显的应力与位移集中，为结构危险处，作为优化约束。通过拓扑优化均匀应力场和位移场，改善结构固化过程的位移场和应力场。
所述的体积约束是指：如图2b所示的截面模型中，等厚度气囊的各处厚度均为1.2mm，实体部分占气囊总空间的43.91％；所以拓扑优化过程中，目标设计实体部分体积占气囊总体积的44±1％。
步骤2、根据优化约束进行拓扑优化，直至气囊形状不随迭代次数增加而改变，危险点处位移值和应力值完成收敛，拓扑优化结束。输出优化后的形状，并对边缘平滑处理，为防止应力集中，在尖端处取圆弧处理，得到经拓扑优化的气囊形状。
如图3所示，所述的拓扑优化为：把寻找结构最优化的拓扑问题转化为给定设计区域寻求最优材料分布的问题，在优化迭代循环中，以最初模型为基础，在满足优化约束(比如最小应力或最小位移)的前提下，不断修改指定优化区域单元的材料分布，有效的从分析模型中移走单元从而获得最优设计，具体包括：
2.1)确定单胞模型尺寸及物理特性：如图2a所示的梯形夹芯结构单元的长36.82mm、高10mm、厚1mm，材料为碳纤维/双马树脂复合材料，弹性模量为12.76GPa，泊松比为0.28；梯形夹芯结构单元内设有气囊模型作为芯模并与梯形夹芯结构单元贴合，厚1.2mm，材料为硅橡胶，弹性模量120MPa，泊松比为0.48。
2.2)建立有限元模型：使用ABAQUS进行建模，采用如图2b所示平面的壳体模型，用平面应力单元进行网格划分并创建一个静态分析步，具体为模拟梯形夹芯结构单元固化过程中的载荷形式，在结构单元下侧进行固定支撑，对结构单元上端面施加0.1MPa的压力，在气囊内部施加0.05MPa的气压，并对层合板施加100-150℃的升温。
2.3)基础模型预分析：通过有ABAQUS进行预分析，得到平衡预应力场和位移场形态。根据平衡预应力场和位移场形态，得出均匀气囊结构中在复合材料梯形夹芯结构下缘中心位置有较明显的应力与位移集中，为结构危险处，作为优化约束。单击工具栏中的创建目标函数工具，并编辑目标函数，目标函数设置为位移最小。
2.4)优化任务创建与分析：通过在ABAQUS中创建拓扑优化任务，冻结气囊结构的载荷和边界区域并采用Single-term响应工具，分别创建应变能设计响应、中点位移设计响应以及体积的设计响应；以应变能最小为目标函数并对危险点位移和体积进行约束，进行最大50次的循环。
2.5)优化结果分析与后处理：提交优化分析作业，直至气囊形状完成收敛，危险性点处位移值和应力值在每次循环时变化幅度小于2％，拓扑优化结束。输出优化后的形状，并对边缘平滑处理，在尖端处取圆弧处理，得到拓扑优化后的气囊形状。
步骤3、对拓扑优化后的气囊形状进行三维化处理，根据三维模型进行气囊制作，并对制作完毕的气囊进行表面处理，完成拓扑优化气囊的制作。在气囊上铺设复合材料预浸料并与刚性外模进行组装，其中气囊用作固化过程的芯模。对气囊施加充气压力，以及使用刚性外模对预浸料施加合模压力，用于排挤复合材料预浸料中的缝隙与气泡，完成固化前的赋形。
所述的三维模型是指：将拓扑优化后的气囊截面形状根据夹芯结构轴向方向进行拉伸，一端密闭，另一端留有气嘴。
所述的气囊制作是指：选择硅橡胶对气囊进行制作，为提高橡胶材料的弹性和强度，对橡胶进行硫化处理。
所述的表面处理是指：橡胶气囊的气囊表面进行润滑膜表面涂覆，降低脱模难度，完成拓扑优化气囊制作。
所述的铺设复合材料预浸料是指：复合材料预浸料为碳纤维纺织布与双马树脂浸渍而成，单层厚度0.2mm，按照梯形夹芯结构1mm的厚度，对预浸料按照梯形夹芯结构形状进行裁剪，并沿着气囊长度方向上粘贴预浸料单层，重复此步骤五次，直至叠层厚度等于2mm，形成复合材料预制体。
所述的对气囊施加充气压力和对钢模施加合模压力是指：铺设完毕后对预制体结构四周采用钢模约束，并对板厚方向进行合模压制，挤出预浸料之间的气泡与空隙；合模压制时，气囊充压大小为0.05MPa，并对复合材料梯形夹芯结构上下面板施加0.1MPa的压力，对预浸料结构完成初次赋形。
步骤4、将组装好的构件按照特定温度历程进行加热固化，固化时对气囊进行充气保压以维持气囊形状，固化完毕后将气囊抽为负压，剥离并撤去气囊以及刚性外模，得到复合材料夹芯结构试件。
所述的组装好的构件是指：拓扑优化后的气囊作为芯模、铺设好的复合材料预浸料作为梯形夹芯结构的预制体、刚性模具作为外模，然后按照结构样式组装，进行后续固化。另气囊通过连接充气管，进行充气保压。
所述的加热固化具体为：按照特定复合材料预浸料的固化历程进行加热固化，如碳纤维/环氧树脂基复合材料预浸料固化参数，保持温度130℃，保持时间8h。
所述的充气保压，具体为：为了防止固化过程芯模发生形状变化，在加热固化过程中，在充气管施加0.05MPa气压，进行保压处理。
经过使用有限元仿真软件，分别使用对等厚度气囊和拓扑优化后的气囊用作芯模，施加如图5所示模拟载荷，分析在同种制作环境下梯形夹芯结构的应力场和位移场，如图6和7所示，计算后得到等厚度气囊结构中在复合材料梯形夹芯结构下缘中心位置有较明显的应力集中，最大应力为46.41MPa；经过拓扑优化的气囊应力分布形态更加均匀，最大应力也显著降低至27.43MPa；等厚度气囊结构的复合材料梯形夹芯结构最大位移为0.2473mm，拓扑优化的气囊结果的复合材料梯形夹芯结构最大位移为0.0720mm。
Figure BDA0003278960100000051
与现有技术相比，本方法相对面板和芯子单独制作然后胶结成型技术，解决了芯子与面板容易发生层间脱粘的问题；相对等厚度气囊辅助成型技术，解决气囊在充压和合模压力综合作用下，容易发生局部鼓胀或者应力集中的问题。本发明提高了复合材料成品制作精度和气囊使用寿命。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征在于，包括：
步骤1、使用有限元分析软件进行预分析，对结构进行形状重构，并进行材料参数赋予；根据复合材料固化过程的合模压力和升温过程，使用对结构施加等效载荷，模拟复合材料高温固化过程中的载荷形式，生成位移和应力云图，完成优化约束和体积约束选定；
步骤2、在满足体积约束条件下，对优化约束进行拓扑优化，直至气囊形状不随迭代次数增加而改变，危险性点处位移值完成收敛，拓扑优化结束；输出优化后的形状，并对边缘平滑处理，为防止应力集中，在尖端处取圆弧处理，得到拓扑优化气囊；
步骤3、对拓扑优化后的气囊形状进行三维化处理，根据三维模型进行气囊制作，并对制作完毕的气囊进行表面处理，完成拓扑优化气囊的制作；在气囊上铺设复合材料预浸料并与刚性外模进行组装，其中气囊用作固化过程的芯模；对气囊施加充气压力，以及使用刚性外模对预浸料施加合模压力，用于排挤复合材料预浸料中的缝隙与气泡，完成固化前的赋形；
步骤4、将组装好的构件按照特定温度梯度进行加热固化，固化时对气囊进行充气保压以维持气囊形状，固化完毕后将气囊抽为负压，剥离并撤去气囊以及刚性外模，得到复合材料夹芯结构试件；
所述的预分析是指：对有限元模型截取不具有重复阵列形的单元建立单胞模型，并根据实际结构制作过程中的材料参数和载荷形式进行材料参数赋予和载荷形式定义，通过有限元分析软件进行前期仿真分析，得到平衡预应力场和位移场形态；
所述的单胞模型包括：复合材料梯形夹芯结构以及设置于其内部的等厚度气囊；
所述的材料定义是指：梯形夹芯结构单元材料为碳纤维/双马树脂复合材料；气囊采用硅橡胶。
2.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，所述的载荷形式包括：为模拟梯形夹芯结构单元固化过程中的约束情况，对结构单元下侧使用固定约束；为模拟刚性外模合模压力，对结构单元上侧施加均匀压力；模拟气囊充气压力，对气囊内部施加气压；为模拟固化温度场，对结构进行整体升温。
3.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，所述的优化约束是指：根据平衡预应力场和位移场形态，得出均匀气囊结构中在复合材料梯形夹芯结构下缘中心位置有较明显的应力与位移集中，为结构危险处，作为优化约束，通过拓扑优化均匀应力场和位移场，改善结构固化过程的位移场和应力场；
所述的体积约束是指：等厚度气囊的各处厚度均为1.2mm，实体部分占气囊总空间的43.91％；所以拓扑优化过程中，目标设计实体部分体积占气囊总体积的44±1％。
4.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，所述的拓扑优化为：是把寻找结构最优化的拓扑问题转化为给定设计区域寻求最优材料分布的问题，在优化迭代循环中，以最初模型为基础，在满足最小应力或最小位移的前提下，不断修改指定优化区域单元的材料分布，有效的从分析模型中移走单元从而获得最优设计，具体包括：
2.1)确定单胞模型尺寸及物理特性：梯形夹芯结构单元的长36.82mm、高10mm、厚1mm，材料为碳纤维/双马树脂复合材料，弹性模量为12.76GPa，泊松比为0.28；梯形夹芯结构单元内设有气囊模型作为芯模并与梯形夹芯结构单元贴合，厚1.2mm，材料为硅橡胶，弹性模量120MPa，泊松比为0.48；
2.2)建立有限元模型：使用ABAQUS进行建模，采用平面的壳体模型，用平面应力单元进行网格划分并创建一个静态分析步，具体为模拟梯形夹芯结构单元固化过程中的载荷形式，在结构单元下侧进行固定支撑，对结构单元上端面施加0.1MPa的压力，在气囊内部施加0.05MPa的气压，并对层合板施加100-150℃的升温；
2.3)基础模型预分析：通过有ABAQUS进行预分析，得到平衡预应力场和位移场形态；根据平衡预应力场和位移场形态，得出均匀气囊结构中在复合材料梯形夹芯结构下缘中心位置有较明显的应力与位移集中，为结构危险处，作为优化约束；单击工具栏中的创建目标函数工具，并编辑目标函数，目标函数设置为位移最小；
2.4)优化任务创建与分析：通过在ABAQUS中创建拓扑优化任务，冻结气囊结构的载荷和边界区域并采用Single-term响应工具，分别创建应变能设计响应、中点位移设计响应以及体积的设计响应；以应变能最小为目标函数并对危险点位移和体积进行约束，进行最大50次的循环；
2.5)优化结果分析与后处理：提交优化分析作业，直至气囊形状完成收敛，危险性点处位移值和应力值在每次循环时变化幅度小于2％，拓扑优化结束；输出优化后的形状，并对边缘平滑处理，在尖端处取圆弧处理，得到拓扑优化后的气囊形状。
5.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，步骤3中所述的三维模型是指：将拓扑优化后的气囊截面形状根据夹芯结构轴向方向进行拉伸，一端密闭，另一端留有气嘴；
所述的表面处理是指：橡胶气囊的气囊表面进行润滑膜表面涂覆，降低脱模难度，完成拓扑优化气囊制作。
6.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，所述的铺设复合材料预浸料是指：复合材料预浸料为碳纤维纺织布与双马树脂浸渍而成，单层厚度0.2mm，按照梯形夹芯结构1mm的厚度，对预浸料按照梯形夹芯结构形状进行裁剪，并沿着气囊长度方向上粘贴预浸料单层，重复此步骤五次，直至叠层厚度等于2mm，形成复合材料预制体。
7.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，所述的使用刚性外模对预浸料施加合模压力是指：铺设完毕后对预制体结构四周采用钢模约束，并对板厚方向进行合模压制，挤出预浸料之间的气泡与空隙；合模压制时，气囊充压大小为0.05MPa，并对复合材料梯形夹芯结构上下面板施加0.1MPa的压力，对预浸料结构完成初次赋形。
8.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，所述的组装是指：拓扑优化后的气囊作为芯模、铺设好的复合材料预浸料作为梯形夹芯结构的预制体、刚性模具作为外模，然后按照结构样式组装，进行后续固化，另气囊通过连接充气管，进行充气保压。
9.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，所述的加热固化具体为：按照特定复合材料预浸料的固化历程进行加热固化，如碳纤维/环氧树脂基复合材料预浸料固化参数，保持温度130℃，保持时间8h。
10.根据权利要求1所述的拓扑优化气囊辅助成型复合材料梯形夹芯结构制作工艺，其特征是，所述的充气保压，具体为：为了防止固化过程芯模发生形状变化，在加热固化过程中，在充气管施加0.05MPa气压，进行保压处理。
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