热压罐工艺仿真技术.pdf

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/（Kg·℃）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