光固化殼體成型工藝參數仿真分析及實驗研究

高雪峰，景文博，李世濤，田明

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

碳纖維復合材料殼體纏繞成型技術因力學屬性，使其成型殼體具有耐高壓、拉伸、扭轉等物理屬性。上世紀50年代，美國、西班牙、法國等國對殼體成型技術進行了研究，并且將其廣泛應用于武器制造、航空航天、民用工業制造等諸多領域[1]。近年來，國內相關院校和科研機構也投入大量資金對殼體成型技術進行研究。如西北工業大學的史耀耀教授極其科研團隊經多年努力研發出基于熱輥加熱的帶鋪放設備，以及北京航空航天大學自主研發的氣加熱的殼體鋪放設備，但是都存在相對弊端，尤其是在鋪放過程中加熱溫度和纏繞速度及加熱功率無法很好地控制導致材料帶由于材料帶表面加熱溫度過低而達不到纏繞成型所需要的粘度值或是材料帶表面加熱溫度過高而導致材料帶燃燒等問題[1]。針對這個問題，通過理論分析系統的加熱溫度、纏繞速度及激光功率之間的關系，并且建立有限元模型進行仿真分析最后通過實驗驗證等三方面分析最終確定三者之間的關系，為光固化殼體成型技術提供借鑒經驗。

1 殼體纏繞成型原理及參數

殼體鋪放成型過程如圖1所示，半導體激光器發射出來的光束將碳纖維環氧樹脂復合材料帶融化，使其具有一定的粘稠度和流動性。再通過壓輥的壓力將融化的復合材料帶與芯模緊緊地貼合在一起，隨著芯模的轉動融化的復合材料帶一層層逐漸覆蓋在芯模表面，最終完成殼體的鋪放成型。

圖1 殼體鋪放示意圖

在殼體鋪放過程中，激光器加熱溫度、芯模轉速及激光器功率等參數是否匹配直接影響殼體成型系統的精度及穩定性，系統的關鍵技術參數如表1所示。

表1 系統加熱溫度相關技術參數指標

2 系統工藝參數關系分析

粘度為材料帶的物理屬性，當材料帶吸收足夠多的能量粘度值就會提升。在充分考慮了碳纖維復合材料的粘度、熔點等物理屬性以及對激光器功率等方面的要求，最終選用了功率可調節光纖耦合的半導體激光器作為加熱源。根據玻爾茲曼定理可知，激光器在單位時間內輻照出的總能量為：

式中，ε為激光器的輻照系數；σ為玻爾茲曼常數，其值為：5.67×10-8；T為溫度，單位為°C ；當激光器的加熱溫度與所處環境達到熱平衡時：

式中，P為激光器輻照功率；s為輻照光斑面積；碳纖維復合材料帶對輻照激光能量的吸收比為常數δ，δ=const。因此材料帶在單位時間內吸收的輻射能為：

式中，φ為材料帶的熱傳遞系數；ζ為材料帶的熱反射率。

在殼體鋪放過程中，芯模以速度vm/s對材料帶進行纏繞鋪放，激光器輻照光斑以vm/s的速度在材料帶表面掃過，材料帶表面溫度與其吸收的輻射能關系為：

式中，c為材料帶的比熱容；m為受輻照復合材料帶質量；Δt為輻照前后材料帶表面溫度變化；v為芯模轉速；L為受到光斑輻照的材料帶長度。因此，當材料帶達到鋪放溫度的條件下，激光器的功率與芯模轉速的關系為：

方程（6）為殼體成型過程中芯模轉速和激光器功率以及溫度之間的關系式。當k值確定后根據成型需要可以通過控制轉速或是功率來調節材料帶表面加熱溫度。

3 殼體鋪放成型仿真分析

通過ANSYS經典有限元仿真軟件編寫程序模擬光固化殼體成型系統工作過程中材料帶表面溫度變化，其分析流程如圖2所示。

圖2 有限元仿真分析流程

在本次仿真分析中根據實際幾何尺寸建立幾何模型，為了分析方便將材料帶模型建立成半殼體形，建立好的模型如圖3所示[3]。

圖3 材料帶模型圖

將單元格類型定義為Solid70對模型進行網格劃分并且對激光掃描的路徑部分進行了詳細劃分，劃分完成后的模型如圖4所示。對碳纖維復合材料的材料參數進行設置，其中密度為：1.6g/cm3、導熱系數為36/W?(m ?K)-1、比熱容為1.3/kJ?(kg ?K)-1[4]。對模型施加載荷，本次分析類型為第三類瞬態熱分析過程，因此施加表面熱流率并且設置激光的工作功率為300W、激光器輻照光斑尺寸為10mm×1.5mm、光斑移動速度為0.2m/s。

圖4 網格劃分圖

本次仿真分析將激光光斑掃描材料帶半圈的過程設置為300步長，分別觀察激光光斑移動不同步長時材料帶表面溫度變化情況。

圖5為激光光斑移動30步時材料帶表面溫度分布情況[5]。

圖5 激光光斑移動30步溫度變化情況

圖6為激光激光光斑移動60步時材料帶表面溫度變化情況。

圖6 激光光斑移動60步溫度變化情況

圖7為激光激光光斑移動90步時材料帶表面溫度變化情況。

圖7 激光光斑移動90步溫度變化情況

圖8激光激光光斑移動180步時材料帶表面溫度變化情況。

圖8 激光光斑移動180步溫度變化情況

圖9為激光激光光斑移動300步時材料帶表面溫度變化情況。

圖9 激光光斑移動300步溫度變化情況

由圖5-圖9可以看出當轉動速度為0.2m/s、激光功率為300W時，矩形激光熱源輻射出的激光光斑輻照到材料帶表面后材料帶表面瞬時最高溫度為250°C，加熱過后材料帶表面溫度逐漸降低，在9秒內降低至30°C～60°C左右。改變激光功率、轉動速度的數值進行多組模擬實驗得出其激光功率、轉動速度、材料帶表面溫度之間的關系如圖10所示。可以看出材料帶表面溫度隨著鋪放速度的逐漸變快呈現出線性下降的趨勢[6]。

圖10 材料帶表面溫度與光斑移動速度關系

4 實驗研究與結果分析

實驗采用“KS400”型號的紅外在線測溫熱像儀時實測量材料帶表面溫度。材料帶采用中負神鷹碳纖維股份有限公司生產“YH-67”型號碳纖維/環氧樹脂復合材料帶，使用長春理工大學自主研發的光固化殼體纏繞成型設備對加熱過程中材料帶表面溫度極其相關工藝參數進行進一步探究，殼體成型實驗設備模型如圖11所示。

圖11 光固化殼體成型設備

通過改變激光器功率以及芯模轉速得到材料帶表面溫度數據擬合出關系曲線如圖12所示。通過曲線可以看出材料帶表面溫度隨著鋪放速度的升高逐漸降低且呈現線性規律。

圖12 溫度與速度關系曲線

通過觀察圖10和圖12可以看出，模擬仿真的溫度、速度、激光器功率之間的關系與實驗數據得出的溫度、速度、激光器功率之間的關系基本一致，只是在溫度的最大值之間略微波動。

5 結論

通過理論推導可以看出在殼體成型過程中材料帶表面溫度與殼體成型系統的鋪放速度有關和激光器加熱功率有關，通過有限元仿真分析加熱過程和實驗測試兩種方法得出規律：激光器功率越高材料帶表面溫度越高，鋪放速度越快材料帶表面溫度越低，并且模擬仿真與實驗分析溫度分布規律基本一致，只是在溫度的最大值與最小值上存在差異。