環形復雜曲面自動鋪絲成型模具的形變來源與數值仿真

萬建平 朱春生 馬軍 李燕銀

【關鍵詞】復合材料 鋪絲成型 FEM

1 引言

復合材料自動鋪絲成型技術（Automated Fiber Placement）綜合了自動鋪帶（ALT）和纖維纏繞（FW）的優點，適應了復雜曲面多變的要求，為復雜曲面成型制造提供了一種極佳的方法，屬于國際前沿技術，在航空、航天領域有著廣泛的應用。美國全球鷹無人機的發動機整流罩（圖1（a）所示）與X-47B艦載無人機的蛇形進氣道（圖1（c）所示）都采用了AFP成型技術。

下面將剖析環形復雜曲面鋪絲時的模具形變機理，并通過有限元法加以分析。

2 AFP成型時環形曲面模具形變的來源及其影響

2.1 AFP成型時環形曲面模具形變的來源

（a）所示的是S形進氣道成型模具，（b）所示的是蛇形進氣成型模具。那么對它們進行AFP成型時，旋轉軸放置在AFP系統的回轉支架上，由AFP伺服電機驅動并進行AFP成型操作。根據AFP成型時的形變來源不同，模具形變分為三類；靜態形變、動態形變和載荷形變。

AFP成型時大多使用鋼模，即使采用空心結構，重量仍然較大。模具在自身重力作用下的形變，稱為靜態形變；環形類曲面進行回轉鋪絲成型時，模具在離心力的作用下發生的形變，稱為動態形變，例如，由于嚴重的不對稱性，同樣鋪放參數條件下，圖2所示的蛇形進氣道模具動態形變將會比S形進氣道模具大很多；由于AFP成型不可避免需要鋪絲頭的滾壓作用，滾壓力帶來的模具變形，稱為載荷形變。

2.2 三種形變的影響

AFP成型的產品形變由成型和固化兩個階段決定，控制成型時的形變是基礎，是本研究的重點，在此需要分析其對最終產品形變的影響。固化產生的形變則與鋪絲的路徑有關，屬于另外一種形變類型，在此不做分析。

（1）靜態形變的影響。由于AFP成型之后，復合材料要與模具一起放置在熱壓罐成型。因此，模具靜態形變的影響一直會伴隨著產品的整個成型、固化過程，不會解除。為了控制產品制造的誤差，模具制造和模具靜態形變都需要分取公差的一部分。

（2）動態形變的影響。由于動態形變是在模具回轉時產生的，當AFP成型完成之后，理論上可以消失。但實際上，如果動態形變太大時，則可能破壞原有的連接狀態，仍需要加以控制。

（3）載荷形變的影響。盡管載荷形變影響有限，但由于它會影響到材料的均勻性，也需要加以控制。

總之，上述三種形變都需要加以控制。為了提前知道理想條件下控制的效果，采用ANSYS對控制效果進行FEM分析，很有必要。

3 蛇形管道形變仿真分析

為了更好地控制AFP成型形變，需要通過仿真來預測，以便采取反制措施。

3.1 靜態形變與載荷形變的仿真

將圖2（b）所示的蛇形進氣的成型模具輸入ANSYS Workbench系統。選擇合理的單元劃分精度（0.5mm），采用的單元類型為Solid 186，對其進行單元網格劃分。再選擇在ANSYS Workbench的simulation模塊中，打開相關的對話框，按表1填入屬性值。在模具兩端加以支撐約束，整個模具受到體分布的重力作用。在上述條件下對蛇形進氣的成型模具進行FEM分析，得出靜態的豎向形變云圖如圖3（a）所示。

3.2 動態形變的仿真

在靜態分析之后，將模型的密度改為0值，其余不變。設定其旋轉角速度為15r/min。選擇旋轉中心，對該模具的轉動時的動態形變進行有限元分析，得到動態豎向形變云圖如圖3（b）所示。

3.3 載荷形變的仿真

載荷形變分析，材料密度設為0值，加載大小為25公斤，加載范圍約為50mm×120mm范圍（中部、均布）。得出相應的豎向形變云圖如圖3（c）所示。

4 仿真結果總結及形變控制策略

通過上面的有限元分析，總結如下：

（1）靜態形變最大，為主要形變來源，需要加以嚴格控制；

（2）動態形變在較低轉速時，可控制在理想范圍內；

（3）正常的滾壓力帶來的載荷形變非常有限，可以忽略。

根據上面總結，相應的控制策略為：

（1）在模具設計、制造和安裝時，盡可能考慮模具的靜態剛度；

（2）對于轉軸非對稱性較大的環形曲面，AFP成型時的轉速，應適度加以控制。

5 結論

通過FEM分析，環形復雜曲面自動鋪絲成型時的形變，有三種來源。本研究通過FEM確定了它們的大小順序，分清它們主次關系，并提出了相應的控制策略。

參考文獻

[1]盧敏.圓筒件的鋪絲路徑生成算法[J].航空學報，2011，32（1）：181-186.

[2]周燚，安魯陵，周來水.復合材料自動鋪絲路徑生成技術研究[J].航空精密制造技術，2006，42（2）：39-41.

[3]朱寶鎏.高空長航時無人機氣動力特點分析[J].國際航空，2006（6）：74-77.

[4]徐德康.X-47B生產型亮相[J].國際航空，2009（2）：33-36.