[发明专利]基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法，属于复合材料构件热压罐成型工装设计技术领域。

技术背景

碳纤维增强树脂基复合材料因其高比强度、高比刚度、耐腐蚀、可设计等优点，获得了航空业的广泛应用，其用量已成为飞机先进性标志之一。目前，国内航空企业主要采用热压罐成型工艺制造复合材料构件。在成型过程中，复合材料构件受到一定温度和压力，产生固化变形。这增加了构件后继加工和装配的难度，变形过大时甚至导致构件报废，增加制造成本。热压罐成型工装是复合材料构件成型的基础，它起到传递温度和压力、定位和保证型面尺寸精度的作用。在工装设计中需要重点考虑的是工装型面设计，这对复合材料构件成型精度和质量起着不可忽视的作用。传统采用反复调整工装的方法，来减小构件的变形，使其满足尺寸精度要求。此方法主要依据经验，不能定量精确地把握修模程度，成型的复合材料构件的尺寸精度低，构件型面精度得不到保证，为提高工装成形制件的精度，需经历反复试错修模，研制成本高，周期长。

随着有限元技术的发展，模拟复合材料构件固化变形已日趋成熟。基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法能够定量快速地确定工装的设计型面，保证构件精度，提高生产效率。

发明内容

传统工装设计直接取得构件型面作为工装型面，构件固化成型后发生固化变形，需通过反复修模来保证构件的尺寸精度，效率低，成本高。针对这些问题，本发明目的在于基于构件固化变形的有限元分析，通过构件型面的节点位移量来补偿工装型面，达到构件的尺寸精度要求，最终确定工装设计型面。本发明提供了一种工装型面设计的新方法，与传统“试错法”相比，能够提高效率，节约成本，设计的工装型面能够保证构件的尺寸精度。

本发明的设计方案：

一种基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法，适用于热压罐成型复合材料构件的固化工艺制度、构件几何与材料参数、工装支撑结构与材料参数已知的前提条件下进行，其特征在于，步骤如下：

(1) 由构件设计型面P提取生成工装的初始型面G；

(2) 为第(1)步中两型面划分相同的网格，根据复合材料固化过程的多场耦合关系及材料的本构关系，编写有限元程序，实现构件的固化变形分析，得到构件固化变形后的型面；

(3) 计算构件型面各节点位移量?L，据此判断构件的尺寸精度是否满足要求，若满足要求，则进入第(5)步；若不满足要求，则进入第(4)步；

(4) 计算构件节点沿坐标轴方向的位移量                                                ，补偿到工装型面节点上，得到新的工装型面节点，拟合成新的工装型面；

(5) 完成上一步的工装型面补偿设计后，重复第(3)(4)步，直到补偿后的工装能够保证构件的成型精度，即完成工装的型面补偿设计。

有益效果：本发明是一种基于有限元分析的热压罐成型工装型面设计方法，应用这种设计方法，消除了传统方法直接提取复合材料构件型面设计工装所造成的构件精度低，需反复试错修模的难题。在保证精度的前提下，提高了设计质量和效率。

附图说明

图1为基于有限元分析的热压罐工装型面设计方法流程图。

图2复合材料固化过程多场耦合关系图。

图3构件固化变形有限元计算流程图，图中为凝胶点固化度，为玻璃化转变温度。

图4构件变形节点位移量示意图，图中为节点变形前的节点，为变形后的对应节点，为和距离之差。

图5构件固化变形及工装补偿示意图，图中、表示构件或工装上某节点；表示构件固化变形后对应节点；表示工装补偿设计后对应节点；A表示固化变形后构件型面；B表示构件的设计型面，也是工装的初始设计型面；C表示补偿设计后工装的型面。

图6分析模型网格划分及几何尺寸示意图，A、B、C、D为工装对称面上的四个点。

图7模具型面的补偿过程及构件变形，图中共有四个型面，design为构件的设计型面，即工装的初始设计型面；def1为没有对工装进行补偿设计，构件变形后型面；design2为对工装型面进行补偿后的型面；def2为对工装进行一次补偿设计后，构件的变形。

具体实施方式