广东模具导柱生产厂商(复合材料热压罐成形模具型面补偿设计方法研究)
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本文导读目录：
广东模具导柱生产厂商
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复合材料热压罐成形模具型面补偿设计方法研究
本文模具型面补偿设计的思路是假设材料的固化点温度和玻璃态转换温度相同，则在理论上模具型面在固化点和玻璃态温度转换点的几何形状就应相同。
模具型面设计过程是以制件的设计模型固化升温至固化点后的理想形状作为模具型面在高温下的初始形状设计模具高温型面，在热压罐固化降温环境中将模具初始高温模型降温至室温得到模具在常温下的初始型面模型，再以此时的模具型面为复合材料构件和模具固化初始时的型面形状，分析构件的固化升温过程。
将构件在固化点时的几何形状与构件的高温理想形状比较，最终确定模具型面的理想高温形状。
采用复合材料构件在高温状态下的理想型面作为模具型面设计的依据是为了补偿构件在固化降温过程中的热弹性变形和固化过程中因模具热膨胀变形导致的构件变形。
同时这种设计方法还可以保证模具型面和制件型面在高温状态下保持一致，即材料在固化点温度时满足式（1）。
其中Ps、Ds分别为制件和模具高温固化点状态下的几何型面，ξ为设计允许的最大误差。
由模具设计过程的原理图可知，经过迭代后材料的固化点形状Ps和玻璃态转化温度形状Pg满足|Pg-Ps|≤|ξ|，也即是材料与模具在高温状态下满足式（1）。
本文热压罐成形模具型面补偿设计的具体操作过程是：①采用有限元分析软件ABAQUS将设计的复合材料构件从室温沿固化降温的逆方向加载至玻璃态转化温度，得到构件型面在玻璃态下的理想几何信息Pg；②以得到的构件高温理想型面为基准，建立模具型面在高温下的模型Dg；再将模具型面模型Dg沿固化降温方向降至室温，得到常温下的模具型面模型D（0）；③分析材料在固化周期中的温度场、固化度等变化和材料的热、力学性能变化；④利用有限元分析软件ABAQUS对材料固化升温过程进行有限元数值模拟，得到材料在固化点时的几何形状Ps。
固化模拟过程中模具的初始型面就是步骤②中的D（0）；材料在固化初期紧贴模具，因此材料的形状与模具型面几何形状相同；⑤比较步骤①、④中分别得到的材料玻璃态理想几何形状和材料固化点温度时的几何形状，当满足式（2）时，步骤④中材料或模具的初始几何型面就是需要设计的模具型面在升温后的状态。
具体操作流程见图3，式中i表示固化升温阶段的迭代次数。
本文采用有限元分析软件ABAQUS对设计的碳纤维环氧树脂基复合材料AS4/3501-6单曲面层合板构件进行与固化降温阶段相反的加载，得到层合板在玻璃态下的型面理想几何模型。
再对该构件在固化升温阶段的温度场、固化度变化以及应力、应变进行分析，得到层合板在固化点的几何模型。
模拟过程中热压罐内温度加载的过程如图4所示。
有限元分析中钢模具的热、力学性能参数为：密度ρ7800kg/m3，弹性模量E210GPa，泊松比υ0.3，比热C434J/（kg·℃），导热率k60.5W/（m·℃），热膨胀系数CTE1.2×10-5。
成形构件结构为单曲面层合板，其固化后的热、力学性能参数采用文献[6]中的参数值。
采用有限元分析方法，将复合材料层合板的设计模型沿图4材料固化温度周期曲线的c-d方向升温至玻璃态转化温度，得到层合板在玻璃态转化温度时的离散几何模型。
将复合材料层合板逆向升温后得到的离散的几何模型提取出来，利用逆向工程软件geomagic和CAD软件UG构造高温时的模具型面Dg和对应的等效模具模型。
在有限元分析软件ABAQUS中将模具的高温等效模型沿固化降温方向降至室温，得到室温下模具的离散等效模型D0。
再次采用逆向工程技术和CAD软件利用模具离散几何信息构建模具初始型面设计模型D（0）和等效的模具模型（图5）以及材料在固化前的初始模型P（0）。
为了分别补偿材料和模具在固化降温阶段的热收缩变形，材料在逆向升温过程中没有考虑模具的影响；同时模具等效模型的降温过程也仅是模具自身的热收缩，没有考虑材料的影响。
复合材料固化过程中的化学收缩应变是由材料在状态转变过程中的物理性能所决定的，不能通过模具型面进行补偿。
因此，本文固化升温阶段的数值模拟过程没有考虑由于化学收缩引起的应力、应变，仅考虑了固化过程中材料的热膨胀系数、模量和固化反应放热等变化对变形和应力的影响。
固化升温过程中罐内环境温度采用文献[7]推荐的加载周期（图4），两个升温阶段的加载速率都是5℃/min，固化点温度为177℃；降温过程以-5℃/min的速率从177℃降温至25℃，整个固化周期中热压罐内的温度和压力分布均匀。
图6是复合材料层合板逆向升温至玻璃态下的应力分布。
复合材料在固化过程中的约束主要是模具对它的支撑约束和热压罐内施加于材料表面的气压约束。
复合材料的固化过程是由粘流态经橡胶态向玻璃态转化的，在这个过程中材料由于应力松弛的作用，其在固化升温阶段的应力会迅速释放。
为了消除固化模拟过程中模具对材料沿径向方向的约束所造成的材料应力不能释放从而进一步造成材料中间部分的隆起变形，本文模拟过程中在材料和模具的边缘部分引入一层橡胶层来平衡模具对材料径向方向的约束，材料和模具的其余部分设定为接触约束，使得模拟过程更接近实际情况。
图7是复合材料层合板在固化点时的位移分布。
对比复合材料层合板固化升温后的变形位移和其设计型面理想高温形状（图8、图9），经过模具型面的温度补偿后，复合材料层合板的位移变形量很小。
模具型面温度补偿后的结果表明，通过模具型面的温度补偿能够有效补偿材料固化周期过程中的热弹性变形量。
图6材料沿路径c-d方向升温至玻璃态后的应力分布。
图7材料固化至固化点时位移分量U2的分布。
本文针对复合材料热压罐成形工艺过程中的热弹性变形问题，采用对模具设计型面进行温度补偿的办法来补偿材料的热变形。
本文模具型面的补偿法是建立在引起构件弹性变形机理的基础上。
补偿过程中综合考虑了构件固化降温阶段中的热弹性变形和模具在固化升温阶段引起的热变形，是一种物理的补偿方法。
模具型面设计后的数值模拟结果表明，采用热补偿的模具型面设计方法设计的模具型面能够有效补偿复合材料制件成形过程中由于模具与复合材料之间热、力学性能不一致以及固化过程中材料自身热、力学性能变化而导致的制件固化变形问题。
图8材料固化升温后和逆向升温后位移U2沿节点路径1-1的分布。
图9材料固化升温后和逆向升温后位移U2沿节点路径1-2的分布。
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