CN117438007A - 一种基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，采用逆向补偿优化设计的方法，先通过对复合材料构件回弹型面进行施力矫正，再通过有限元仿真软件对复合材料构件模型回弹面施力补偿优化其成型面，然后验证回弹补偿结果，最后通过有限元仿真软件直接计算出补偿后的复合材料构件成型工装模具的几何型面，从而实现对复合材料构件型面的精准补偿设计。本发明方法过程简单，研发周期短，减少依赖经验设定回弹值设计带来的误差，保证复合材料的型面精度；另外，本发明能够实现复杂结构的型面补偿，在模拟和实验中均能获得精确的优化设计，可以直接获得补偿后的成型模具型面，为固化变形控制提供有价值的参考方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法。
背景技术
由于复合材料有较高的比强度、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强等优点，被广泛应用于航空航天领域。
热压罐固化成型工艺是复合材料构件的主要成型工艺，由于受复合材料与模具的热膨胀系数不一致、树脂的化学收缩变形、模具与零件之间的相互作用等原因的影响，固化过程中复材构件会产生内应力，复材零件脱模后应力释放从而产生回弹变形，变形对零件的型面质量及零件之间的匹配关系产生极其不利的影响。
目前，主要通过两种方法来减小或抵消固化变形：一是对热压罐固化成型工艺方法进行优化，例如通过优化升温与降温速率、调整铺层角度等以减小变形量；另一种方法是通过对模具型面设置回弹角进行修正。但这两种方法都建立在大量实验的基础上，通过对工艺参数及模具尺寸反复修正来减小固化变形，耗费了大量人力物力。
随着有限元技术及电脑计算能力的发展，基于有限元方法对复材构件进行热压罐成型仿真预测，根据预测结果对工装型面进行补偿，可以代替多次迭代实验，可达到减小固化变形的效果。研究显示，针对固化变形最有效的方法就是对成型工装型面补偿，例如，中国专利文献CN113221398B公开一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，通过在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；然后在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；再对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；最后将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，实现任意几何结构参数下的固化变形回弹角预测模型。
然而，实际工程中复合材料构件的型面非常复杂，通过回弹角来修正型面，依赖经验设定回弹值设计容易带来的误差，且修正过程非常繁琐，研发周期长；并且零件固化后，通常还需要进行施力检测，以进一步验证型面精度是否满足设计要求，无法保证复合材料零件质量。
因此，如何进一步提高复合材料制件的制造精度，缩短研发周期，并减少或不使用施力检测，达到保证复合材料零件质量达到设计要求的目的，仍是亟待解决的问题。
发明内容
针对上述提出的技术问题及为了达到上述的目的，本发明提供一种基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，对复合材料构件的固化变形规律进行研究，提前对复合材料零件成型面进行施力补偿仿真，形成成型工装的补偿型面，以提高复合材料的制造精度，缩短研发周期。具体技术方案如下：
一种基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，采用逆向补偿优化设计的方法，先通过对复合材料构件回弹型面进行施力矫正，再通过有限元仿真软件对复合材料构件模型回弹面施力补偿优化其成型面，然后验证回弹补偿结果，最后通过有限元仿真软件直接计算出补偿后的复合材料构件成型工装模具的几何型面，从而实现对复合材料构件型面的精准补偿设计。
前述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤一、施力矫正
通过施力计对现有的固化成型回弹后的复合材料构件的型面进行施力检测，记录在满足型面精度要求时各施力补偿点的压力数值；
步骤二、成型面施力补偿仿真
采用有限元仿真软件建立所述复合材料构件的三维数字模型，并结合施力矫正检测结果对该复合材料构件的成型面相应位置进行施力补偿仿真，形成补偿型面；
步骤三、验证补偿型面，调整补偿系数
根据复合材料构件的补偿型面设计其成型工装模具的几何型面，并通过有限元仿真和实验进行对比验证补偿型面，若不满足型面精度要求则调整各施力补偿点的补偿系数直至满足要求。
前述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，步骤一中，所述施力矫正，具体为通过施力计对施力补偿点施力，所述的施力计安装在复合材料构件型面检测工装上，各施力计通过数据传输线与主控制器连接，显示器可以实时显示各施力计施力大小，通过激光跟踪仪检测复合材料构件的型面。
前述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，每个施力补偿点相距不小于300mm，每个施力补偿点上的施力大小不超过45N。
前述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，步骤二中，所述成型面施力补偿仿真获得的补偿型面为固化成型前的复合材料构件型面。
前述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，所述成型面施力补偿仿真具体为：将复合材料构件数模导入有限元软件，约束中线位置，根据施力矫正检测结果对复合材料构件数模模拟施加载荷，进行仿真计算，得到反向补偿的复合材料构件补偿型面。
前述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，所述模拟施加载荷的施力点的位置与步骤一中施力矫正时施力计施力的位置一致，施力大小、方向与步骤一中施力矫正时施力大小、方向一致。
前述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，步骤三中，所述验证补偿型面，调整补偿系数；具体为：根据设计的复合材料构件成型工装模具的几何型面，制备成型工装，并采用该成型工装制造复合材料制件，固化成型后对该复合材料制件的型面进行数字化测量，验证补偿结果；若不符合型面精度要求则再次通过有限元仿真修正补偿参数，调整补偿型面。
本发明具备的有益效果如下：
1）相较于现有技术而言，本发明首次提出通过对复合材料零件成型面进行施力补偿仿真，进而对成型工装的整个型面进行补偿，不再单单预测制件固化变形回弹角，无需设计变量参数，从制件本身出发，研究其固化变形规律，对复合材料零件成型面进行施力补偿仿真，形成成型工装的补偿型面，可以保证复合材料的型面精度，并为复合材料构件固化变形的控制提供理论指导和依据。
2）本发明通过对制备的复合材料零件进行施力矫正获得各点压力值，并通过有限元仿真对复材成型面进行施力补偿仿真，然后进行固化仿真和实验验证回弹补偿结果，并调整施力点补偿系数，最终对零件进行优化设计，过程简单，缩短研发周期，且制备的零件无需再次施力检测，达到保证型面精度满足设计精度的目的，保证复合材料制件的制造精度及质量。
3）本发明采用逆向补偿优化设计的方法，通过回弹面施力补偿优化成型面，为成型工装的优化设计提供依据，减少过去依赖经验设定回弹值设计带来的误差；另外，本发明能够实现复杂结构的型面补偿，在模拟和实验中均能获得精确的优化设计，可以直接获得补偿后的成型模具型面，为固化变形控制提供方法。
附图说明
图1为本发明型面施力补偿设计流程图；
图2为本发明复合材料结构变形示意图；
图3为本发明对回弹面施力补偿示意图；
图4为本发明施力后补偿型面示意图；
图5为本发明补偿后固化变形示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明较佳实施例，而不是全部的实施例，亦并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用所揭示的技术内容加以变更或改型等同变化。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
实施例1
本实施例是一种基于回弹面施力补偿的复材构件固化变形补偿方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤一、施力矫正
对固化回弹后的复合材料构件进行施力矫正检测，记录在满足型面精度要求时各施力补偿点的压力数值。具体为通过施力计对施力补偿点施力，所述的施力计安装在复合材料构件型面检测工装上，施力计通过数据传输与主控制器连接，显示可以器实时显示个施力计施力大小，通过激光跟踪仪检测型面。
步骤二、成型面施力补偿仿真
采用有限元仿真软件建立复合材料构件三维数字模型，根据施力检测数据，对复合材料构件成型面相应位置进行施力补偿仿真，形成补偿型面，将补偿型面导出。具体为，将复合材料构件数模导入有限元软件，约束中线位置，施加载荷与施力计施力位置、大小、方向保持一致，进行仿真计算，得到反向补偿的复合材料构件型面。获得的补偿型面为未固化时的复合材料构件型面，导出补偿型面，作为成型工装设计参考。
步骤三、验证补偿型面，调整补偿系数
根据补偿型面设计复合材料构件成型工装模具的几何型面，通过有限元仿真与实验进行对比，验证补偿型面，具体为：根据设计的复合材料构件成型工装模具的几何型面，制备成型工装，并采用该成型工装制造复合材料制件，固化成型后对该复合材料制件的型面进行数字化测量，验证补偿结果；若不符合型面精度要求则再次通过有限元仿真修正补偿参数，调整各施力补偿点的补偿系数，调整补偿型面，直至满足要求。
实施例2
本实施例为采用实施例1所述的基于回弹面施力补偿的复材构件固化变形补偿方法对大型飞机C截面框类复合材料制件进行型面固化变形的补偿设计。该构件的截面为不规则圆弧形（如图2所示），型面较为复杂，结构较为特殊，通过回弹角来修正型面，容易产生误差，过程非常繁琐，研发周期长，且成型后通过施力检测才能满足型面要求，影响后续零件装配效率。
本实施例中采用实施例1所述的基于回弹面施力补偿的复材构件固化变形补偿方法，对该复合材料构件的固化变形规律进行研究，提前对复合材料零件成型面进行施力补偿仿真，形成其成型工装的补偿型面，以获得满足型面要求的复合材料构件产品。具体如下：
步骤一、施力矫正
对采用现有成型工装制备的固化回弹后的复合材料构件进行施力矫正检测，根据该《飞机复合材料结构制造验收技术条件》要求，布置10个施力检测点，如图3所示，每个施力点相距不小于300mm，每个施力点施力大小不超过45N（因为若超过45N型面仍不满足要求，该零件就报废了，所以提前进行变形补偿尤为重要），记录在满足该复合材料构件型面精度要求时各施力点的压力数值。
步骤二、成型面施力补偿仿真
采用有限元仿真软件建立复合材料构件三维数字模型，根据施力检测数据，对复合材料构件成型面相应位置进行施力补偿仿真，形成补偿型面；具体为：将零件数模导入有限元软件，约束中线位置，施加载荷与施力计施力位置、大小、方向保持一致，进行仿真计算，得到反向补偿的零件型面，如图4所示，该补偿型面为未固化时的复合材料构件型面，导出补偿型面，以该补偿型面作为成型工装设计参考。
步骤三，验证补偿型面，调整补偿系数
根据补偿型面设计复合材料构件成型工装模具的几何型面，通过有限元仿真和实验进行验证补偿型面，即依据所述的零件补偿型面设计成型工装型面，制造复合材料，固化成型后对零件型面进行数字化测量，验证补偿结果，如图5所示，若不满足型面要求。通过有限元仿真调整各施力补偿点的补偿系数直至满足要求。
本发明采用逆向补偿优化设计的方法，通过回弹面施力补偿优化成型面，为成型工装的优化设计提供依据，减少过去依赖经验设定回弹值设计带来的误差；另外，本发明能够实现复杂结构的型面补偿，在模拟和实验中均能获得精确的优化设计，可以直接获得补偿后的成型模具型面，为固化变形控制提供方法。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，其特征在于：采用逆向补偿优化设计的方法，先通过对复合材料构件回弹型面进行施力矫正，再通过有限元仿真软件对复合材料构件模型回弹面施力补偿优化其成型面，然后验证回弹补偿结果，最后通过有限元仿真软件直接计算出补偿后的复合材料构件成型工装模具的几何型面，从而实现对复合材料构件型面的精准补偿设计。
2.根据权利要求1所述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
步骤一、施力矫正
通过施力计对现有的固化成型回弹后的复合材料构件的型面进行施力检测，记录在满足型面精度要求时各施力补偿点的压力数值；
步骤二、成型面施力补偿仿真
采用有限元仿真软件建立所述复合材料构件的三维数字模型，并结合施力矫正检测结果对该复合材料构件的成型面相应位置进行施力补偿仿真，形成补偿型面；
步骤三、验证补偿型面，调整补偿系数
根据复合材料构件的补偿型面设计其成型工装模具的几何型面，并通过有限元仿真和实验进行对比验证补偿型面，若不满足型面精度要求则调整各施力补偿点的补偿系数直至满足要求。
3.根据权利要求2所述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，其特征在于：步骤一中，所述施力矫正，具体为通过施力计对施力补偿点施力，所述的施力计安装在复合材料构件型面检测工装上，各施力计通过数据传输线与主控制器连接，显示器可以实时显示各施力计施力大小，通过激光跟踪仪检测复合材料构件的型面。
4.根据权利要求3所述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，其特征在于：每个施力补偿点相距不小于300mm，每个施力补偿点上的施力大小不超过45N。
5.根据权利要求2所述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，其特征在于：步骤二中，所述成型面施力补偿仿真获得的补偿型面为固化成型前的复合材料构件型面。
6.根据权利要求5所述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，其特征在于：所述成型面施力补偿仿真具体为：将复合材料构件数模导入有限元软件，约束中线位置，根据施力矫正检测结果对复合材料构件数模模拟施加载荷，进行仿真计算，得到反向补偿的复合材料构件补偿型面。
7.根据权利要求6所述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，其特征在于：所述模拟施加载荷的施力点的位置与步骤一中施力矫正时施力计施力的位置一致，施力大小、方向与步骤一中施力矫正时施力大小、方向一致。
8.根据权利要求2所述的基于回弹面施力补偿的复合材料构件固化变形补偿方法，其特征在于：步骤三中，所述验证补偿型面，调整补偿系数具体为：根据设计的复合材料构件成型工装模具的几何型面，制备成型工装，并采用该成型工装制造复合材料制件，固化成型后对该复合材料制件的型面进行数字化测量，验证补偿结果；若不符合型面精度要求则再次通过有限元仿真修正补偿参数，调整补偿型面。
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