CN117341228A - 一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法。本方法采用“反向变距”策略，基于平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向2个正交方向的典型截面，综合对比厚度，热膨胀系数，玻璃化转变温度等特征参数实际值与理论值的差异，构建补偿曲线，进而得到补偿曲面。本方法简单、可靠，能够有效补偿加筋壁板的固化变形，提高外形精度。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料零(组)件制造领域，特别是一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法。
背景技术
加筋壁板一般由若干根长桁和一张蒙皮组成，采用胶接工艺形成一个整体化组件。长桁截面可以是T型、工型、J型或帽型等。由于结构的特殊性，加筋壁板固化后会呈现不规则的复杂变形，影响其外形精度。
现有方法，主要通过控制升、降温速率，调整铺层顺序等措施，抑制加筋壁板的固化变形。但是，该方法会延长制造周期，或改变复合材料制件的综合性能，降低承载效率。
专利《一种控制复合材料加筋壁板固化变形的方法》(CN111645341A)，在加筋壁板的铺层和模具工作面间增加多层隔离材料，减小模具－制件的相互作用，进而减小固化变形。但是，该方法会影响加筋壁板的表面质量和内部密实程度。
复合材料零(组)件的制造，一般将理论型面作为模具的工作面。模具修型补偿方法的基本思路是将模具的工作面调整为预设的非理论型面。复合材料零(组)件固化后，整体变形至接近理论型面。如何依据理论型面，构建补偿型面是该方法的关键。加筋壁板的固化变形不能简单的用角度、曲率半径等参数描述，限制了模具修型补偿方法在此类零(组)件上的应用。
因此，迫切需要一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法，通过调整模具工作面，补偿加筋壁板的固化变形，提高其外形精度。
发明内容
本发明公开了一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法。本方法采用“反向变距”策略，综合考虑了制件的实际厚度，内部树脂的微观状态，模具－制件的相互作用等关键因素。以长桁轴向为参考，通过平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向2个正交方向的典型截面的补偿曲线，获得加筋壁板的补偿曲面。本方法简单、可靠，能够有效补偿加筋壁板的固化变形。
一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法，包括如下步骤：
1建立模具的三维模型，将加筋壁板组合固化后的气动外形面作为靠模面；
2分别选取加筋壁板平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的典型截面；
3将靠模面与不同的典型截面相交，分别得到平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的理论曲线；
4通过试验数据分别建立平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的变形曲线；
5通过理论曲线和变形曲线共同建立补偿曲线，将理论曲线上的长桁底缘位置点映射到补偿曲线上：以理论曲线为基准，变形曲线和补偿曲线分别位于理论曲线的两侧，补偿曲线上任意一点与理论曲线上对应点的连线的长度为L，理论曲线上对应点与变形曲线上对应点的连线的长度为L‘，L＝0.5×(Tr÷Tt)×(βt÷βm)×(Tgr÷Tgt)×L‘，其中，Tr为加筋壁板最厚处的实际厚度，Tt为加筋壁板最厚处的理论厚度，βt为模具工作面所用材料的热膨胀系数，βm为加筋壁板主材料的热膨胀系数，Tgr为加筋壁板主材料的实际玻璃化转变温度，Tgt为加筋壁板主材料的理论玻璃化转变温度。
6以所有补偿曲线为基准，构建整个加筋壁板的补偿曲面；
7通过补偿曲线上的长桁底缘位置点，构建长桁在补偿曲面上的放置位置和姿态，并以此作为长桁定位器的工作曲面；
8将已构建的补偿曲面作为模具的工作曲面，设计并制造模具。
所述的典型截面，为包括所在方向的两侧端头面以及距端头面1/4、1/2和3/4距离的截面。
所述的Tr、βt、βm、Tgr和Tgt可由试验获得，也可由经验数据估算。
本发明的模具修型补偿方法具备如下优点：1)简单、可靠，不需要延长固化时间，或调整设计参数，不影响制件的综合性能；2)采用“反向变距”策略，从制件的实际厚度，内部树脂的微观状态，模具－制件的相互作用等维度入手，充分考虑了加筋壁板产生固化变形的本质因素，准确度高；3)采用局部和整体的对映策略，基于固化变形的多因素耦合效应，通过平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向，2个正交方向的典型截面的补偿曲线，得到整个加筋壁板的补偿曲面，数据分析量小；4)所需相关数据可以由试验获得，也可以通过经验数据得到，实施成本低；5)依据补偿曲面调整长桁的放置位置和姿态，提升长桁的轴线精度。
附图说明
图1T型加筋壁板固化变形示意图
图2T型加筋壁板固化变形修型补偿示意图
图中编号说明：1－理论曲线、2－变形曲线、3－长桁、4－理论曲线上的对应点、5－变形曲线上的对应点、6－补偿曲线、7－补偿曲线上的点。
具体实施方式
固化过程中温度、压力、固化度的梯度分布，造成加筋壁板内部存在不均匀的残余应力，进而产生复杂的固化变形。制件和模具的相互作用，制件的整体厚度等因素，都会影响加筋壁板的固化变形。固化过程的热历史会影响制件的实际玻璃化转变温度，进而影响树脂的微观状态和宏观特性。
针对加筋壁板的固化变形，行业内一般采用减小升、降温速率，调整铺层结构，改变铺层顺序等方法。减小升、降温速率会大幅延长制件的固化周期，增加成本，影响制件的综合性能。调整铺层结构，改变铺层顺序，会降低制件的力学性能，以及在受载条件下的力学行为，进而影响结构承载效率。
本申请基于模具修型补偿方法，即不以制件的理论型面作为模具工作面，而是将补偿型面作为模具工作面。制件固化后，在残余内应力的驱动下，产生变形，其实际型面接近理论型面。该方法对固化周期，制件的力学性能等都没有显著影响。
本申请采用“反向变距”策略，以变形量为基准，参考厚度、热膨胀系数、玻璃化转变温度等关联固化变形产生原因的特征参数，计算对应点位的补偿量，结果更为准确。
本申请同时参考了平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向，2个正交方向的典型截面，体现了各因素的耦合效应对加筋壁板固化变形的影响。
本申请依据典型截面的补偿曲线，建立加筋壁板的补偿曲面，计算量小，迭代周期短，尤其适用于大尺寸零件。
实施例1，T型加筋壁板
本申请以T型加筋壁板为例，一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法。
1建立模具的三维模型，将T型加筋壁板组合固化后的气动外形面作为靠模面；
2分别选取T型加筋壁板平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的典型截面，为包括所在方向的两侧端头面以及距端头面1/4、1/2和3/4距离的截面。
3将靠模面与不同的典型截面相交，分别得到平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的理论曲线1；
4参考典型截面，制造特征试验件，通过试验数据分别建立平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的变形曲线2；
5通过经验数据估算加筋壁板最厚处的实际厚度Tr，模具工作面所用材料的热膨胀系数βt，加筋壁板主材料的热膨胀系数βm，加筋壁板主材料的实际玻璃化转变温度Tgr；
6通过理论曲线1和变形曲线2共同建立补偿曲线6，将理论曲线1上的长桁底缘位置点映射到补偿曲线6上。具体过程为：以理论曲线1为基准，变形曲线2和补偿曲线6分别位于理论曲线1的两侧，补偿曲线上的点7与理论曲线上对应点4的连线的长度为L，理论曲线上对应点4与变形曲线上对应点5的连线的长度为L‘，L＝0.5×(Tr÷Tt)×(βt÷βm)×(Tgr÷Tgt)×L‘，其中，Tt为加筋壁板最厚处的理论厚度，Tgt为加筋壁板主材料的理论玻璃化转变温度；
7以所有补偿曲线6为基准，构建整个加筋壁板的补偿曲面；
8通过补偿曲线6上的长桁底缘位置点，构建长桁3在补偿曲面上的放置位置和姿态，并以此作为长桁定位器的工作曲面；
9将已构建的补偿曲面作为模具的工作曲面，设计并制造模具。
实施例2，工型加筋壁板
本申请以工型加筋壁板为例，一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法。
1建立模具的三维模型，将工型加筋壁板组合固化后的气动外形面作为靠模面；
2分别选取工型加筋壁板平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的典型截面，为包括所在方向的两侧端头面以及距端头面1/4、1/2和3/4距离的截面。；
3将靠模面与不同的典型截面相交，分别得到平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的理论曲线1；
4参考典型截面，制造特征试验件，通过试验数据分别建立平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的变形曲线2；
5制造试验件，测量试验件的特征参数，包括：工型加筋壁板最厚处的实际厚度Tr，为10.5mm。工型加筋壁板主材料的实际玻璃化转变温度Tgr，为165℃。测量数模，得到工型加筋壁板最厚处的理论厚度Tt，为10.0mm。工型加筋壁板的模具采用Invar钢材质，其热膨胀系数βt，为2.6×10－6/℃。工型加筋壁板的主材料为碳纤维单向带，其热膨胀系数βm，为1.9×10－6/℃，理论玻璃化转变温度Tgt，为155℃；
6通过理论曲线1和变形曲线2共同建立补偿曲线6，将理论曲线1上的长桁底缘位置点映射到补偿曲线6上。具体过程为：以理论曲线1为基准，变形曲线2和补偿曲线6分别位于理论曲线1的两侧，补偿曲线上的点7与理论曲线上对应点4的连线的长度为L，理论曲线上对应点4与变形曲线上对应点5的连线的长度为L‘，L＝0.5×(Tr÷Tt)×(βt÷βm)×(Tgr÷Tgt)×L‘＝0.5×(10.0÷10.5)×(2.6÷1.6)×(165÷155)×L‘＝0.908×L‘；
7以所有补偿曲线6为基准，构建整个加筋壁板的补偿曲面；
8通过补偿曲线6上的长桁底缘位置点，构建长桁3在补偿曲面上的放置位置和姿态，并以此作为长桁定位器的工作曲面；
9将已构建的补偿曲面作为模具的工作曲面，设计并制造模具。
Claims (4)
1.一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法，其特征在于包括如下步骤：
1－1建立模具的三维模型，将加筋壁板组合固化后的气动外形面作为靠模面；
1－2分别选取加筋壁板平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的典型截面；
1－3将靠模面与不同的典型截面相交，分别得到平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的理论曲线；
1－4通过试验数据分别建立平行于长桁轴向和垂直于长桁轴向的变形曲线；
1－5通过理论曲线和变形曲线共同建立补偿曲线，将理论曲线上的长桁底缘位置点映射到补偿曲线上；
1－6以所有补偿曲线为基准，构建整个加筋壁板的补偿曲面；
1－7通过补偿曲线上的长桁底缘位置点，构建长桁在补偿曲面上的放置位置和姿态，并以此作为长桁定位器的工作曲面；
1－8将已构建的补偿曲面作为模具的工作曲面，设计并制造模具。
2.根据权利要求1所述的一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法，其特征在于所述的1－5通过理论曲线和变形曲线共同建立补偿曲线，将理论曲线上的长桁底缘位置点映射到补偿曲线上，具体过程为：以理论曲线为基准，变形曲线和补偿曲线分别位于理论曲线的两侧，补偿曲线上任意一点与理论曲线上对应点的连线的长度为L，理论曲线上对应点与变形曲线上对应点的连线的长度为L‘，L＝0.5×(Tr÷Tt)×(βt÷βm)×(Tgr÷Tgt)×L‘，其中，Tr为加筋壁板最厚处的实际厚度，Tt为加筋壁板最厚处的理论厚度，βt为模具工作面所用材料的热膨胀系数，βm为加筋壁板主材料的热膨胀系数，Tgr为加筋壁板主材料的实际玻璃化转变温度，Tgt为加筋壁板主材料的理论玻璃化转变温度。
3.根据权利要求1所述的一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法，其特征在于，所述的典型截面，为包括所在方向的两侧端头面以及距端头面1/4、1/2和3/4距离的截面。
4.根据权利要求2所述的一种加筋壁板固化变形的模具补偿方法，其特征在于所述的Tr、βt、βm、Tgr和Tgt可由试验获得，也可由经验数据估算。
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