復合材料構件成型模具型板改進設計

花蕾蕾，安魯陵，趙一鳴，魏靈航

(1.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016; 2.航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 210016)

0 引言

近50年來，先進復合材料因其高強度、耐高溫、抗疲勞等優(yōu)點，在航空航天、機械工程、醫(yī)療、交通等行業(yè)得到了日益廣泛的應用與發(fā)展。尤其是航空制造業(yè)，復合材料在飛機中的應用比例逐年提升，成為航空工業(yè)中主要發(fā)展和研究的對象[1-2]。

熱壓罐工藝依舊是目前航空企業(yè)在復合材料構件成型中主要使用的一種成型方法[3]。復合材料構件的溫度場主要分為內(nèi)部溫度場和外部溫度場。其中，構件與熱壓罐內(nèi)空氣的熱對流為外部溫度場，模具與構件之間、模具及構件本身的熱傳導則為內(nèi)部溫度場。成型模具與構件在罐內(nèi)壓力的作用下始終緊緊貼合，因此成型模具型板表面溫度的均勻性對構件的溫度場形成起到了不可忽視的作用。隨著罐內(nèi)空氣的循環(huán)流動，根據(jù)對流換熱的特點，復合材料構件溫度場始終呈現(xiàn)隨加熱方向梯度變化趨勢[4]，其中成型模具型板表面與構件之間的熱傳遞對這一現(xiàn)象起到了主導作用。復合材料上溫度梯度的存在，則會在成型過程中導致構件內(nèi)部固化度不同步，形成殘余應力，在最終脫模時釋放，形成固化變形。固化變形不僅會影響構件成型精度，還會影響使用壽命甚至報廢[5]。

目前國內(nèi)外對于成型模具溫度場的改進主要從工藝參數(shù)和成型模具入手，其中針對成型模具，大多通過模具支撐結構與模具結構改進。張鋮等[6-7]提出風速、溫度速率等工藝環(huán)境參數(shù)對于模具型面溫差具有重要影響。林家冠等[8]通過對框架式模具溫度分布的規(guī)律研究，設計了一種在支撐結構散熱口附近安裝風扇的方法，以達到加強底部氣體流通的作用從而增強型板表面溫度分布均勻性。傅承陽等[9]則通過有限元仿真，研究確定成型模具表面低溫區(qū)域，設計了一種在低溫區(qū)域安裝加熱器的方法以改善成型模具溫度分布。張旭生等[10]通過改變模具支撐結構散熱口的閉合改變底部氣體流動風道，研究發(fā)現(xiàn)T型風道對于型板表面溫度均勻性的提高效果最佳。

本文從模具結構出發(fā)，根據(jù)仿真結果確定模具型板表面低溫區(qū)域，通過對模具型板變厚度設計，改善氣體在流通中的熱量損耗，以實現(xiàn)溫度均勻地提高。

1 數(shù)值模擬分析

復合材料構件熱壓罐成型是一個多場耦合的復雜過程。對復合材料傳熱情況分析如下。

1)罐內(nèi)空氣與固體區(qū)域(模具和構件)之間通過氣體流動以對流換熱的方式傳遞熱量。

2)由于脫模劑傳導率低且厚度比較薄，因此可忽略其對傳熱的影響。本文仿真時假設成型模具與構件在固化中受壓力作用，模具型板上表面與構件下表面緊密貼合，兩者之間進行熱傳導。此外模具本身存在熱傳導。

3)復合材料構件內(nèi)部樹脂基固化放熱，同時存在自身熱傳遞。

在以上傳熱規(guī)律的基礎上，對熱壓罐固化過程中成型模具溫度場進行模擬仿真。

1.1 基本方程

根據(jù)連續(xù)介質假設，質量守恒、動量守恒和能量守恒3個基本方程的微分形式如下：

質量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

-pdiv(U)+div(λ·grad(T))+Sh+φ

(3)

理想氣體狀態(tài)方程：

ρ=f(p·T)

(4)

式中：ρ為流體密度；U為流體速度；η為流體動力黏度；p為壓力；Su、Sv、Sw為動量方程的廣義源項；h與流體壓強和流體溫度相關；λ是導熱系數(shù)；Sh為內(nèi)熱源；φ為耗散函數(shù)；T為溫度。

對于固體區(qū)域，其能量方程為

(5)

式中：ρs為固體密度；cs為固體比熱；Ts為固體溫度；QT為內(nèi)部熱源項。

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

熱壓罐在航空領域常用于為復合材料構件成型時提供所需溫度和壓力。成型前需將預浸料、脫膜材料、透氣氈等材料按序鋪放于模具之上，進行密封處理，再在真空袋中入罐。一般固化過程將經(jīng)過升溫—加壓—保溫—降溫—降壓的過程，其中罐內(nèi)熱量主要通過空氣的流動進行傳遞。

本文將熱壓罐工作內(nèi)腔簡化為圓柱體，成型模具為傳統(tǒng)框架式模具，如圖1所示。研究所用模具尺寸大小為1 500 mm×1 500 mm×400 mm，金屬鋼。熱壓罐工作內(nèi)腔直徑為2.5 m，長7 m。

圖1 框架式成型模具結構

在FLUENT流體仿真之前，需要對簡化后模型進行網(wǎng)格劃分。本文所用模型為框架式模具，結構簡單，可采用網(wǎng)格質量高、計算精度高的結構網(wǎng)格進行劃分，得到近15×104結構網(wǎng)格。

1.3 流體流動模型和邊界條件

將上一步所得熱壓罐及模具的網(wǎng)格文件導入FLUENT進行計算。本文使用的傳熱介質為空氣，密度為1.237 kg·m-3，氣體流速為1.5 m·s-1，動力黏度為1.79×10-5Pa·s。一般來說可通過對雷諾數(shù)Re判斷流體流動模型。

(6)

由式(6)可知Re≥8 000～12 000，判斷流體流動為湍流，F(xiàn)LUENT計算模型選擇標準k-ε模型。

根據(jù)熱壓罐工作原理設定邊界條件如下：

1)熱壓罐入口設為速度入口(velocity-inlet)，通過UDF(user defined function)編譯固化溫度曲線如圖2所示[4]。

圖2 簡化工藝曲線

2)熱壓罐尾端采用壓力出口(pressure-outflow)。

3)壁面設置為Wall。

1.4 模擬結果和分析

將仿真結果與文獻[4]中的實驗數(shù)據(jù)進行驗證比對(圖3)，兩者誤差在5%左右，驗證了仿真的準確性。圖4為升溫結束時型板表面溫度分布，此時最大溫差為50.1 K，溫度方差為166.27 K2，溫度整體呈階梯狀分布趨勢，其中在距迎風端80%的地方出現(xiàn)低溫區(qū)域，占總面積的25%。

圖3 實驗數(shù)據(jù)曲線和仿真數(shù)據(jù)曲線對比

圖4 T=7 200 s時型面表面溫度分布

2 非等厚型板模具溫度場模擬

導致上文型板表面出現(xiàn)階梯狀分布趨勢主要原因為：一方面，流體在外掠過型板表面時，由于其黏性會在交界處形成邊界層，而隨著流體的流動方向動能逐漸耗損，邊界層越來越厚，熱阻隨之變大[11-12]。另一方面，模具底部支撐結構在射流沖擊換熱時入風端處的隔板起到了阻礙作用，導致沖擊強度隨著氣體的流向降低。因此可設計一種非等厚型板以適應型板表面不同熱阻作用。

2.1 梯形非等厚度型板

根據(jù)圖4可知高溫區(qū)域出現(xiàn)在迎風端端口附近區(qū)域。因此設計4組梯形非等厚型板，從迎風端口處開始，分別至距迎風端400 mm、450 mm、500 mm和600 mm處。原框架式成型模具型板厚度為15 mm，此處對型板進行變厚度處理，將高溫區(qū)域厚度調(diào)整為20 mm，其他區(qū)域降至10 mm。T=7 200 s時型板表面溫度分布如圖5所示。

圖5 T=7 200 s時梯形型板表面溫度云圖

由圖6(a)可知，以上4種梯形型板在不同程度上對于型板表面溫度均勻性均有所改善。其中距離迎風端500 mm時，最大溫差為29.81 K，相較原始型板降低了40.51%，最大溫度方差43.8 K2，降低了73.65%。如圖5所示，所有型板表面在過渡區(qū)均出現(xiàn)溫度起伏區(qū)域，其中400 mm和600 mm在厚度過渡區(qū)域更為明顯，因此可通過對距離迎風端30%～33.3%處進行加厚處理。

根據(jù)圖6(b)和表1可知，在厚度從20 mm～10 mm突變區(qū)域，型板表面出現(xiàn)最大溫度起伏，其中最大溫度起伏區(qū)域多出現(xiàn)于厚度突變交界處。隨著距迎風端距離增大，突變區(qū)域距離迎風端越遠，溫度起伏區(qū)域也隨之后移，且區(qū)域長度及溫度差隨之增大。此外由圖6(b)可知梯形型板并未對低溫區(qū)域位置產(chǎn)生影響，仍出現(xiàn)在距離迎風端115 mm左右。

圖6 梯形型板表面溫度曲線分析

表1 不同距離溫度起伏區(qū)域及溫差

2.2 階梯形非等厚度型板

由上節(jié)可知，梯形型板雖然在一定程度上有效地提高了型板表面溫度均勻性，但在厚度突變區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的溫度起伏區(qū)域。在此基礎上，設計一種階梯形型板，在高溫區(qū)域將厚度采用逐漸遞減的方式，將厚度從20 mm遞減至10 mm并保持。同時，根據(jù)上節(jié)所產(chǎn)生的突變處溫度起伏，將距迎風端距離增大，采用階梯形變化趨勢，取消厚度突變區(qū)域，使得高溫區(qū)域后面區(qū)域更接近于原厚度，從而緩解突變改善均勻性。本文共設計6組實驗，分別距離迎風端600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm和1 100 mm。T=7 200 s時型板表面溫度分布如圖7所示，階梯形型板表面溫度曲線如圖8所示。

圖7 T=7 200 s時階梯形型板表面溫度云圖

圖8 階梯形型板表面溫度曲線分析

根據(jù)圖7和圖8可知，相較于梯形型板，階梯形型板表面云圖未出現(xiàn)明顯的起伏現(xiàn)象。此外，根據(jù)圖8(a)對比這6組數(shù)據(jù)，階梯形型板對于溫度均勻性改善起到了一定作用，其中當距離迎風端900 mm時，最大溫差與溫度方差都達到了最小值，即溫度均勻性達到最佳狀態(tài)。此時最大溫差為32.78 K，相較于原始溫差降低了34.56%，溫度方差為32.26 K2，下降了70.25%。

2.3 連續(xù)變厚度型板

前兩種變厚度方式均為對固定區(qū)域進行厚度變厚處理，本節(jié)中提出一種從迎風端開始處冪函數(shù)連續(xù)變厚度方式。本文采用s∝xn厚度變化函數(shù)，其中s為型板厚度，x為距迎風端距離，其中n取0.5～1。其型板表面溫度分布與溫度均勻性參數(shù)結果如圖9和圖10所示。

圖9 連續(xù)變厚度型板表面溫度分布

圖10 連續(xù)變厚度型板表面溫度曲線分析

根據(jù)圖9和圖10(a)可知，當n為0.8時，最大溫差及溫度方差達到最小，即型板表面溫度均勻性最好，此時溫度方差為25.98 K2。而隨著n的增大或減小，溫度方差也隨之增大或減小。周光炯等[12]研究表明，溫度邊界層與速度邊界層成正比相關，且δt∝x0.8。當n為0.8時，即s∝x0.8時，型板厚度變化規(guī)律與溫度邊界層厚度變化規(guī)律同步，因此型板表面溫度均勻性達到最佳。

3 結語

本文利用FLUENT進行熱壓罐固化過程中溫度場模擬。研究發(fā)現(xiàn)型板表面低溫區(qū)域出現(xiàn)在距迎風端115 mm處，約占面積25%。為有效提高型板表面溫度均勻性，本文提出一種對型板不同區(qū)域變厚度方法，分別對型板低溫區(qū)域減厚和高溫區(qū)域加厚。主要包括3種厚度方法：梯形、階梯形、連續(xù)變厚度，通過有限元仿真對改善后型板分別進行模擬型板表面溫度分布均勻性，分析得到以下結果：

1)梯形型板在突然變厚度區(qū)域存在明顯的溫度起伏現(xiàn)象，其中400 mm與600 mm尤為明顯，因此可通過對距離迎風端30%～33.3%處進行加厚處理。

2)階梯形型板未出現(xiàn)明顯溫度起伏現(xiàn)象，當距離迎風端900 mm區(qū)域加厚時，溫度均勻性達到最佳狀態(tài)，溫度方差降低近70.25%。

3)連續(xù)變厚度型板采用s∝x0.8函數(shù)關系時，型板厚度變化規(guī)律與溫度邊界層厚度規(guī)律一致，此時溫度均勻性最佳，結果表明此時溫度方差降低了84.37%。