[发明专利]一种热压罐成型框架式模具的整体拓扑优化设计方法

说明书

本发明公开一种热压罐成型框架式模具的整体拓扑优化设计方法，首先创建框架式模具的三维几何实体模型；然后创建三维几何实体模型的有限元模型，并创建有限元模型的拓扑化设计模型；再根据拓扑化设计模型对框架式模具的三维几何实体模型进行重构；最后对重构的三维几何实体模型和原始三维几何实体模型进行性能计算和分析对比；由此本发明在考虑模具温度均匀性与减重需求的前提下，以提高模具整体刚度为目标开展了拓扑优化设计，达到了优化设计模具减重效果明显，并且刚度和温度均匀性有了很大的提高，明显改善了模具性能。

技术领域

本发明涉及拓扑优化设计领域，特别是涉及一种热压罐成型框架式模具的整体拓扑优化设计方法。

背景技术

复合材料凭借其较高的比强度、比刚度、抗疲劳和耐腐蚀等优越的性能，在飞机结构中的占比越来越大，也逐渐应用到了飞机的大型主承力结构中。其中热压罐成型是热固性复合材料的主要制造方式，成型过程中，复合材料预浸料铺贴于模具表面，模具的变形会直接影响到复合材料构件的形状和尺寸精度，模具型面的温度均匀性影响复合材料的同步固化性。框架式模具作为热压罐成型的关键工装，随着结构件尺寸的不断增大，模具的支撑结构形式将会变得更加复杂，若模具的结构排布不合理，一方面会导致模具质量过大、刚度降低，对搬运环节带来困难；另一方面还会导致模具的通畅性较差，导致成型过程中模具表面的温度分布过于不均匀，从而降低构件的同步固化度。在实际设计过程中往往依据经验反复调整框架式结构构型，导致设计效率低、成本高。

目前，针对热压罐成型框架式模具的优化设计方法的研究分析主要有以下两类：

文献1“WangQing,WangLingyun,ZhuWeidong,et al.Design optimization ofmolds for autoclave process ofcomposite manufacturing[J].Journal ofReinforcedPlastics and Composites,2017,36(21):1564-1576.DOI:10.1177/073168441771265”中，作者提出了一种将数值模型与遗传算法相结合的模具子结构参数优化方法，以提高模具固化的同步性。文中将框架式模具长、宽方向支撑板数量、支撑板厚度、通风孔形状、以及通风孔与模具边缘间距五个参数作为设计参数进行优化设计，将最大固化度标准差提高了17.21％，但文中设计参数选择具有局限性，且没有考虑改变参数后对模具的静刚度和热变形的影响。

文献2“张铖.大型复合材料结构热压罐工艺温度场权衡设计[D].哈尔滨工业大学,2009.”中，作者通过实验验证了使用CFX软件模拟模具温度场的可靠性，提出了将热压罐成型过程中模具型面的最大温差作为评价模具温度场均匀程度的表征值，对模具型面及加筋厚度、模具纵向长度、模具横向长度、通风孔形状(圆形、方形)及几何尺寸变化这四个参数对模具温度场的影响规律进行了研究，并且对风速、升温速率、降温速率和模具摆放位置这四个工艺因素对模具温度场的影响规律进行了探索，得到设计参数和工艺因素对模具温度场的影响规律，对模具优化设计有很大的参考意义，但是文中的设计参数选择依然具有局限性，同时缺乏改变参数后对模具静刚度和热变形的影响，并且该种优化方法对于模具性能提高不明显。

综上，现有的热压罐成型框架式模具的优化设计，模具的优劣评判指标主要集中在热压罐成型过程中复合材料的固化度同步性和模具的型面温度均匀性，优化设计方法主要有模具子结构参数优化方法和研究一些模的基本参数对于模具性能的影响，从而得到一些相应参数对于模具的影响规律，再进行选择最优的参数进行模具的制造，但是目前的优化设计方法均没有考虑成型过程中改变模具结构对于模具静刚度和热变形的影响，同时改进模具的基本参数对于模具的整体性能并不会有很明显的提高，于是需要提出优化效果更明显的设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种热压罐成型框架式模具的整体拓扑优化设计方法，在考虑模具温度均匀性与减重需求的前提下，以提高模具整体刚度为目标开展了模具结构拓扑优化设计，并对优化前后的模具结构进行静刚度、温度场和热力耦合的计算，进行模具性能综合的对比分析。