CN116198148A - 一种热压罐成型框架式模具型面的反变形补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法，利用Abaqus软件得到构件在热压罐中变形前后的所有节点的坐标信息，并将其导入到仿照预浸料铺层工艺原理编写的反变形程序中，运行反变形程序，模具型面上每个节点的变形量会被依次施加给每层与之对应的节点，从而实现构件在修正后模具型面上的铺层效果，最终得到反变形后的构件模型，程序界面也会显示构件变形前后的误差，重复上述仿真和反变形过程，直到误差满足设计要求后，便可得到修正后的模具型面。本发明将数值模拟与反变形程序相结合实现了模具型面的虚拟修模，极大地提高了模具型面的修正效率，减少了资源的浪费。

Description

一种热压罐成型框架式模具型面的反变形补偿方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，涉及一种热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法。

背景技术

热压罐成型是复合材料构件的成型方式之一，主要过程是将复合材料预浸料一层层地铺在框架式模具型面上，在热压罐的高温高压环境下固化成型后，就会得到目标形状。但在成型过程中，构件内部会产生来源复杂的残余应力，脱模后，构件会发生较大变形，导致无法满足设计要求。现有的控制构件变形的方法主要有优化工艺参数、修正模具型面等方法，但由于构件材料本身特性等原因，仅仅通过优化工艺参数并不能完全消除构件的变形，还需要结合修正模具型面的方法才能最大限度地降低构件的变形量。

修正模具型面通常是将成型后构件与初始形状做对比，得到构件下表面的变形量，将其反向添加在模具型面上，再次成型时，构件的变形量会有所减小，迭代若干次就可以得到满足设计要求的构件，上述过程为模具型面反变形修正的基本原理。传统的修正模具型面的反变形方法是根据构件成品的变形量来对模具型面进行反向修正，耗时费力，效率不高，还会造成资源的浪费。随着数值模拟技术的成熟，利用构件变形量的预测值对模具型面反向修正的优势逐渐开始凸显。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法。将数值模拟技术和自主开发的反变形程序相结合，通过Abaqus软件对构件的变形量进行预测，对模具型面进行反向修正，从而实现模具型面的虚拟修模，进行若干次迭代修模后，直到程序界面显示的变形误差满足设计要求，便可得到优化后的模具型面。

技术方案

一种热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将构件三维模型导入到有限元软件Abaqus中进行有限元建模，在Abaqus中对构件成型过程中的温度场和成型后的位移场进行数值模拟，，并在其optimization模块下，导出构件成型前后只包含所有节点三维坐标信息的*.rpt文件，再将其另存为*.txt文件，同时将除节点编号和其对应的三维坐标信息外的内容全部删除，得到分别包含构件变形前和变形后的所有节点三维坐标信息的两个*.txt文件；

所述数值模拟时，创建一个包含构件下表面所有节点的集，在数值模拟过程结束后，打开工作目录下对应的*.inp文件，找到刚才创建的集，并复制其下的所有节点编号，再创建一个空白的*.txt文件，将复制的内容粘贴到此文件中，得到一个包含构件下表面所有节点编号的*.txt文件；

步骤2：进行反变形计算：创建一个空白的*.txt文件，存储经反变形计算得到的数据结果，得到构件反变形后的包含所有节点三维坐标信息的文件，同时将构件反变形后构件下表面相对于初始形状的偏差显示在软件界面；

当偏差不满足要求，则继续后续步骤，若满足可直接到步骤5；

所述反变形计算：将构件所有节点分为两部分，1、模具型面上的节点，即构件下表面节点，进行反变形操作；2、构件其余节点，进行虚拟铺层操作；

所述反变形操作：以每个节点变形后坐标减去初始坐标得到节点的变形量，再将此变形量乘以一个-k后，加在原始坐标上，得到反变形变形量，即变形后的节点坐标：

r₁＝O₁-k*(d₁-O₁)

所述虚拟铺层操作：用模具型面上的每个节点变形后的节点减去变形前的坐标，得到模具型面上每个节点的变形量，并将其都乘以-k后，分别加在每一层上与模具型面上每个节点相对应的节点上，从而实现了其他每一层上的所有节点都保持了和模具型面上所有节点同样的移动，类似于实际工艺中的铺层操作，即实现了虚拟铺层操作；

r₂＝O₂-k*(d₁-O₁)

O表示节点初始坐标即变形前坐标，d表示节点变形后坐标，_r表示节点反变形后坐标；下标1表示构件下表面节点，下标2表示除下表面外的其余节点；k代表补偿因子，为补偿量与变形量的比值，取值为常数；

步骤3：复制步骤2得到的文件中的所有信息，打开步骤1提到的*.inp文件，找到关键字“*Node”，将其后的所有节点的三维坐标信息全部删除，把所复制的内容粘贴到刚删除信息的位置；

步骤4：打开abaqus，导入步骤3处理好的*.inp文件，生成经过一次反变形后的构件的网格文件；重复步骤1的数值模拟过程，得到经过一次反变形后的构件成型后的位移场，重复步骤1的导出文件的操作，得到经过一次反变形后的构件变形后的所有节点三维坐标信息文件；

返回步骤2，进行反变形操作；

步骤5：构件的偏差满足要求时，从反变形程序输出的文件中提取构件下表面所有节点信息作为模具型面上表面的所有节点信息，再对节点进行拟合得到满足设计要求的模具型面，从而得到实际生产中满足设计要求的构件。

所述步骤2的反变形计算中，通过输入构件有限元网格上相邻两个节点在X、Y、Z三个方向上的最大距离，比较每一层上所有节点与模具型面上某一节点之间的距离，以距离最小的即为这一层与之对应的节点，重复这个过程得到模具型面上每一个节点相对应的其他层的节点。

所述构件的偏差满足要求是根据显示的偏差，与设计要求做对比，来判断构件的偏差是否满足要求。

所述步骤2中将构件所有节点分为两部分的操作为，输入文件中的构件前后的所有节点坐标文件中，每个节点对应一个节点编号，根据输入文件中的构件下表面节点编号文件中的节点编号，提取模具型面上的所有节点，将所有节点分为两部分。

所述步骤2中将偏差显示在软件界面上为计算所有节点X、Y、Z三个方向上的最大和平均变形量，与构件设计要求进行对比，将最大误差和平均误差存储成型误差文件中，并显示在主界面的成型误差报告区中。

有益效果

本发明提出的一种热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法，利用Abaqus软件得到构件在热压罐中变形前后的所有节点的坐标信息，并将其导入到仿照预浸料铺层工艺原理编写的反变形操作中，进行反变形，模具型面上每个节点的变形量会被依次施加给每层与之对应的节点，从而实现构件在修正后模具型面上的铺层效果，最终得到反变形后的构件模型，程序界面也会显示构件变形前后的误差，重复上述仿真和反变形过程，直到误差满足设计要求后，便可得到修正后的模具型面。本发明将数值模拟与反变形程序相结合实现了模具型面的虚拟修模，极大地提高了模具型面的修正效率，减少了资源的浪费。

本发明的有益效果在于：通过将Abaqus软件和反变形程序的结合实现了对模具型面的虚拟修模，反变形的结果可表明本发明所提方法的有效性，极大地提高了模具型面的修正效率，解决了传统修模方式对人力和物力大量浪费的难题，同时缩短了模具型面修正的周期。

附图说明

图1为本发明提出的流程图

图2为本发明以平板件为例创建的三维模型

图3为本发明以平板件为例进行仿真，得到的变形量结果

图4为反变形程序的界面示意图

图5为平板件一次反变形计算完成的结果界面

图6为本发明以平板件为例经一次反变形后再次仿真，得到的变形量结果

图7为平板件二次反变形计算完成的结果界面

图8为本发明以楔形件为例创建的三维模型

图9为本发明以楔形件为例进行仿真，得到的变形量结果

图10为本发明以楔形件为例经一次反变形后再次仿真，得到的变形量结果

图11为楔形件一次反变形计算完成的结果界面

图12为楔形件二次反变形计算完成的结果界面

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提出的反变形方法适用于不同形状的构件，现以均匀厚度的平板件和变厚度的楔形件为例进行示范，流程如图1所示：

1.平板件的步骤实例如下：

步骤1：在Abaqus中创建一个平板件，如图2所示，利用abaqus软件对平板件成型过程中的温度场和成型后的位移场进行数值模拟，如图3所示为平板件的变形量云图。在optimization模块下，导出构件成型前后只包含所有节点三维坐标信息的*.rpt文件，再将其另存为*.txt文件，同时将除了节点编号和其对应的三维坐标信息外的内容全部删除，这样就会得到包含构件变形前和变形后的所有节点三维坐标信息的两个*.txt文件

步骤2：在利用abaqus软件对平板件进行数值模拟时，需要创建一个包含构件下表面所有节点的集，在数值模拟过程结束后，打开对应的*.inp文件，找到刚才创建的节点集，复制其下的所有节点编号，再创建一个*.txt文件，将复制的内容粘贴到此文件中，这样就会得到一个包含构件下表面所有节点编号的*.txt文件

步骤3：编写反变形程序

反变形程序中是进行反变形计算，过程为：

所述反变形计算：将构件所有节点分为两部分，1、模具型面上的节点，即构件下表面节点，进行反变形操作；2、构件其余节点，进行虚拟铺层操作；

所述反变形操作：以每个节点变形后坐标减去初始坐标得到节点的变形量，再将此变形量乘以一个-k后，加在原始坐标上，得到反变形变形量，即变形后的节点坐标：

r₁＝O₁-k*(d₁-O₁)

所述虚拟铺层操作：用模具型面上的每个节点变形后的节点减去变形前的坐标，得到模具型面上每个节点的变形量，并将其都乘以-k后，分别加在每一层上与模具型面上每个节点相对应的节点上，从而实现了其他每一层上的所有节点都保持了和模具型面上所有节点同样的移动，类似于实际工艺中的铺层操作，即实现了虚拟铺层操作；

r₂＝O₂-k*(d₁-O₁)

O表示节点初始坐标即变形前坐标，d表示节点变形后坐标，r表示节点反变形后坐标；下标1表示构件下表面节点，下标2表示除下表面外的其余节点；k代表补偿因子，为补偿量与变形量的比值，取值为常数；

进行反变形时，创建一个*.txt文件，用于盛放反变形程序计算得到的数据结果，运行反变形程序，如图4所示为软件的界面，依次打开步骤1和步骤2得到的变形前后的节点坐标文件和下表面的节点坐标文件，再打开刚才创建的*.txt文件，点击反变形优化，等待少许时间，就可以得到经过反变形后的包含所有节点三维坐标信息的文件，运行结束后，如图5，界面会显示平板件下表面相对于初始形状的偏差，若偏差不满足要求，则继续后续步骤，若满足可以直接到最后一个步骤。

步骤4：复制步骤3得到的文件内容的所有信息，打开步骤2提到的*.inp文件，找到关键字“*Node”，将其后的所有节点的三维坐标信息全部删除，把刚才复制的内容粘贴到此处。

步骤5：打开abaqus，导入步骤4处理好的*.inp文件，可以生成经过一次反变形后的平板件网格文件。重复步骤1的数值仿真过程，可以得到经过一次反变形后平板件再次成型后的位移场，如图6所示，同样在其optimization模块下，经过步骤1所提到的操作，就可以得到一次反变形后构件变形后的包含所有节点三维坐标信息文件，同样的软件界面会显示经过一次反变形后的平板件相对于初始形状的偏差，如图7。

由于构件初始形状的所有节点三维坐标信息文件和下表面所有节点标号文件之前步骤已经生成，所以不需要在操作。

返回步骤3，进行反变形操作

步骤6：平板件的偏差满足要求时，便可以从软件输出的文件中提取平板件下表面所有节点信息作为模具型面上表面的所有节点信息(在实际工艺中二者紧贴在一起，可近似为相同)，再对节点进行拟合便可得到满足设计要求的模具型面，最终在实际生产中就可以得到满足设计要求的平板件。

通过对比反变形前后的变形量，如图5和6，可以发现经过一次反变形后，平板件相对于初始形状的误差大幅度降低，Z方向最大误差减少了63.95％，由此可证明本发明提到的反变形方法的有效性，再经过若干次反变形后，程序界面显示的误差满足设计要求后，就可以提取程序输入文件中平板件下表面的节点信息，再对节点拟合就可以得到优化后的模具型面。

2.楔形件的步骤同平板件的步骤相同，不重复赘述，以下只对仿真结果和反变形效果进行说明。

图8为楔形件的三维图，整体为楔形，上面的分割线是为了便于划分网格所画，图9为楔形件的仿真结果，图10为楔形件一次反变形后楔形件的仿真结果，通过对比图11和12可以看出，经过一次反变形后，楔形件与初始形状相比，Z方向最大误差降低了31.61％，效果十分明显。由此可证明本发明提到的反变形方法适用于均匀厚度和变厚度的所有构件，且十分有效，同样经过若干次反变形后，程序界面显示的误差满足设计要求后，就可以提取程序输入文件中平板件下表面的节点信息，再对节点拟合就可以得到优化后的模具型面。

当然，上述实例内容仅为本发明的具体方案的举例，并不用于限制本发明，对于本领域的研究技术人员来讲，本发明可以有多种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将构件三维模型导入到有限元软件Abaqus中进行有限元建模，在Abaqus中对构件成型过程中的温度场和成型后的位移场进行数值模拟，并在其optimization模块下，导出构件成型前后只包含所有节点三维坐标信息的*.rpt文件，再将其另存为*.txt文件，同时将除节点编号和其对应的三维坐标信息外的内容全部删除，得到分别包含构件变形前和变形后的所有节点三维坐标信息的两个*.txt文件；

所述数值模拟时，创建一个包含构件下表面所有节点的集，在数值模拟过程结束后，打开工作目录下对应的*.inp文件，找到刚才创建的集，并复制其下的所有节点编号，再创建一个空白的*.txt文件，将复制的内容粘贴到此文件中，得到一个包含构件下表面所有节点编号的*.txt文件；

步骤2：进行反变形计算：创建一个空白的*.txt文件，存储经反变形计算得到的数据结果，得到构件反变形后的包含所有节点三维坐标信息的文件，同时将构件反变形后构件下表面相对于初始形状的偏差显示在软件界面；

当偏差不满足要求，则继续后续步骤，若满足可直接到步骤5；

所述反变形计算：将构件所有节点分为两部分，1、模具型面上的节点，即构件下表面节点，进行反变形操作；2、构件其余节点，进行虚拟铺层操作；

所述反变形操作：以每个节点变形后坐标减去初始坐标得到节点的变形量，再将此变形量乘以一个-k后，加在原始坐标上，得到反变形变形量，即变形后的节点坐标：

r₁＝O₁-k*(d₁-O₁)

所述虚拟铺层操作：用模具型面上的每个节点变形后的节点减去变形前的坐标，得到模具型面上每个节点的变形量，并将其都乘以-k后，分别加在每一层上与模具型面上每个节点相对应的节点上，从而实现了其他每一层上的所有节点都保持了和模具型面上所有节点同样的移动，类似于实际工艺中的铺层操作，即实现了虚拟铺层操作；

r₂＝O₂-k*(d₁-O₁)O表示节点初始坐标即变形前坐标，d表示节点变形后坐标，r表示节点反变形后坐标；下标1表示构件下表面节点，下标2表示除下表面外的其余节点；k代表补偿因子，为补偿量与变形量的比值，取值为常数；

步骤3：复制步骤2得到的文件中的所有信息，打开步骤1提到的*.inp文件，找到关键字“*Node”，将其后的所有节点的三维坐标信息全部删除，把所复制的内容粘贴到刚删除信息的位置；

步骤4：打开abaqus，导入步骤3处理好的*.inp文件，生成经过一次反变形后的构件的网格文件；重复步骤1的数值模拟过程，得到经过一次反变形后的构件成型后的位移场，重复步骤1的导出文件的操作，得到经过一次反变形后的构件变形后的所有节点三维坐标信息文件；

返回步骤2，进行反变形操作；

步骤5：构件的偏差满足要求时，从反变形程序输出的文件中提取构件下表面所有节点信息作为模具型面上表面的所有节点信息，再对节点进行拟合得到满足设计要求的模具型面，从而得到实际生产中满足设计要求的构件。

2.根据权利要求1所述热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法，其特征在于：所述步骤2的反变形计算中，通过输入构件有限元网格上相邻两个节点在X、Y、Z三个方向上的最大距离，比较每一层上所有节点与模具型面上某一节点之间的距离，以距离最小的即为这一层与之对应的节点，重复这个过程得到模具型面上每一个节点相对应的其他层的节点。

3.根据权利要求1所述热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法，其特征在于：所述构件的偏差满足要求是根据显示的偏差，与设计要求做对比，来判断构件的偏差是否满足要求。

4.根据权利要求1所述热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法，其特征在于：所述步骤2中将构件所有节点分为两部分的操作为，输入文件中的构件前后的所有节点坐标文件中，每个节点对应一个节点编号，根据输入文件中的构件下表面节点编号文件中的节点编号，提取模具型面上的所有节点，将所有节点分为两部分。

5.根据权利要求1所述热压罐成型框架式模具型面的反变形修正方法，其特征在于：所述步骤2中将偏差显示在软件界面上为计算所有节点X、Y、Z三个方向上的最大和平均变形量，与构件设计要求进行对比，将最大误差和平均误差存储成型误差文件中，并显示在主界面的成型误差报告区中。

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