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热压罐工艺仿真技术

随着FEM和CFD仿真手段的发展，利用仿真手段替代部分试模，预报

试模的结果已成为可能。通过仿真手段可以模拟热压罐工艺过程中罐

内的流场情况、温度场分布、预浸料的固化过程，以及最终工件的变

形和残余应力等。而在进行了大量的虚拟仿真试验之后，则可利用神

经网络建立热压罐工艺的知识库和专家系统，从而指导工装工件摆放、

工装设计以及诸多工艺参数的优化，从根本上改变热压罐工艺方案的

设计方式。

热压罐工艺开始于20世纪40年代，在60年代开始广泛使用，

是针对第二代复合材料的生产而研制开发的工艺，尤其在生产蒙皮类

零件的时候发挥了巨大的作用，现已作为一种成熟的工艺被广泛使用。

由热压罐工艺生产的复合材料占整个复合材料产量的50%以上，在航

空航天领域比重高达80%以上。热压罐工艺已经在各个复合材料零部

件生产厂被大量使用。随着国防技术的高速发展，工业领域对复合材

料的发展提出了更大、更厚、更复杂的要求，这使新产品的翘曲变形、

残余应力水平以及分层开裂等问题浮出水面。目前解决热压罐工艺诸

多问题的方法还是采用试模的方式。由于复合材料本身高昂的价格、

较长的工艺时间以及热压罐工艺本身的复杂性，试模方法注定要耗费

大量时间和成本，且难以归纳经验。

随着FEM和CFD仿真手段的发展，利用仿真手段替代部分试

模，预报试模的结果已成为可能。通过仿真手段可以模拟热压罐工艺
过程中罐内的流场情况、温度场分布、预浸料的固化过程，以及最终

工件的变形和残余应力等。而在进行了大量的虚拟仿真试验之后，则

可利用神经网络建立热压罐工艺的知识库和专家系统，从而指导工装

工件摆放、工装设计以及诸多工艺参数的优化，从根本上改变热压罐

工艺方案的设计方式。

热压罐工艺仿真方案

复合材料的热压罐成型工艺过程是一个涉及对流换热、结构

热变形和固化相变反应的复杂物理化学过程。完整的热压罐工艺分析

方案应考虑的因素应包括：

·罐内的流场与流固间对流换热；

·预浸料铺覆过程中的纤维剪切作用；

·真空袋、吸胶纸等对传热过程的影响；

·预浸料的固化反应与放热；

·压实过程中树脂在纤维床中的流动；

·模具的传热与热变形；

·预浸料玻璃态转变前后材料性能变化；

·模具与预浸料的相互作用与脱开过程。

结合仿真技术，完整的热压罐工艺仿真方案的仿真流程（图

1）应包括：

（1）罐内流体传热分析非结构网格的快速划分，包括工装位

置的快速修改；

（2）罐内流场的CFD分析，计算流固间对流换热的温度场分

布；

（3）固化方程求解模块，支持与罐内对流换热分析的双向耦

合；

（4）压实过程中的树脂渗透分析，得到压实后纤维体积含量

的变化情况；

（5）预浸料铺覆分析模块，修正纤维铺设方向；

（6）复合材料翘曲变形分析和残余应力预报。

可见，对于热压罐工艺的仿真研究可以分为罐内对流换热研

究和工件翘曲变形分析两部分。前者的研究重点为工件摆放方法的预

报、模具表面的温度分布预测、风扇功率、加热曲线等工艺参数对温
度场的影响等；后者主要研究工装工件之间的相互作用、工件的固化

度分布并最终预报工件的翘曲变形和残余应力水平。对产品质量的预

报是热压罐工艺仿真的最终目的。

罐内的对流换热分析是固化变形分析的前提。工件的固化变

形受到内部温度分布、自身固化度以及模具热变形3个主要因素影响，

而这3个影响因素都与工件周围的温度分布和温度变化历程有关。树

脂在固化过程中会因高分子的胶联反应而释放大量的热量，通常1kJ

树脂完全固化的放热量在几百kj的量级，而树脂的热容在1500J/（K

g·℃）左右，因而，在绝热环境下，如果固化反应放出的热量全部

用于树脂升温，树脂因固化发热使自身温度的提高可能达到上百度。

在RTM工艺的实际操作中，也确实存在因固化反应过于剧烈，散热不

及时而导致的复合材料烧芯情况。

对于热压罐工艺，由于模具的热传导和空气流动引起的对流

换热，这些反应放热会不同程度地被散失掉，散失程度受模具材料、

真空袋/吸胶纸等工装材料的热导率、罐内流场情况等显著影响。因

而在研究罐内流场时必须将流场计算、对流传热求解与固化反应放热

双向耦合起来，才有可能准确地获得工装工件表面的温度分布情况。

导致复合材料固化变形的直接原因是结构上各点处应变在时

间历程上的积累。应变由外应变和内应变两部分构成，外应变主要指

由于结构的约束状态和外力载荷引起的应变；内应变又包括热膨胀应
变和固化收缩应变两部分，指由温度载荷和固化反应导致的树脂固化

收缩导致的应变。

εEij=εTij+εCij，（1）其中，热膨胀应变可描述为：εTij=∫α

ij（T