热压罐成型工艺是目前广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及复合材料胶接结构的主要成型方法。在成型过程中，复合材料制件是在高温高压下与工装一起放进热压罐中固化成型，制件固化成型后几乎不再做任何加工，外表尺寸应满足装配协调要求，不允许强迫装配。然而，工装在整个成型过程中因承受高温热载荷、自身重力及成型辅助件压力的共同作用而发生变形，工装的变形直接影响到制件固化变形而最终影响到复合材料制件的实际形状和尺寸精度。
针对目前较为常用的热压罐成型工装，国内外对热压罐成型工艺参数和工装结构因素对工装温度场均匀性的影响进行了研究，并研究了固化工装变形对复合材料内部残余应力的影响。岳广全等针对当前应用较多的框架式工装在工艺过程中的变形进行了研究。
本文以柱支撑形式建立大型复合材料固化工装模型，在保证支撑形式满足工装静力刚度的前提下，研究其在热压罐成型过程中热- 结构耦合作用下的结构变形。
柱支撑形式固化工装
对大型复合材料固化工装，工装模具的型面需要根据固化成型后的复合材料曲面进行调整，复合材料成型的多样性势必增加工装制作的经济成本和制作周期。针对此问题，对以柱支撑为支撑形式的工装，支撑部分与工装模具的接触面积小，工装模具型面改变后，支撑柱的生产加工简单易行；此外，工装内部结构简单，利于热空气的流通，可以提高工装和热空气之间的传热效率。
为方便后续研究，对柱支撑形式的工装，以结构相对简单的平板型面工装为例（见图1），分析工装在复合材料固化成型过程的变形情况。图1中工装的型面厚度为20mm，模型尺寸为15000mm×5000mm×1000mm，支撑柱截面设为正方形，尺寸为100mm×100mm。模具材料为殷钢，密度ρ=7900kg/m3，弹性模量E=214GPa, 泊松比ν=0.3，线膨胀系数α=1.7×10-6/K。
对工装进行静力分析，可通过调节支撑柱数量来控制工装型面变形量大小。为了比较静力作用下的变形量和热- 结构耦合作用下的变形量，使用70 个支撑柱。对图1中工装进行静力分析（见图2），工装总变形量为0~0.00635mm，垂直型面方向变形量为0~0.00627mm ；静力作用下，70个支撑柱的工装结构变形量微小，说明以支撑柱为支撑形式的工装完全可以满足静力作用下的刚度要求。
由经验和工艺试验可知工装的变形均在毫米量级，工装的尺寸在几米至十几米，工装结构变形不会对热压罐内的气体流动产生明显影响。由于流体计算对网格要求较高，文中使用专业流体仿真软件FLUENT进行工装及热压罐内整个流场的网格划分，如图3所示。对工装建立的有限元模型既可以适用于温度场的计算，也可以用于工装的结构变形计算。热压罐工艺规范简化如图4所示，温度场计算所用相关材料参数如表1所示。
对复合材料固化工装而言，工装型面的变形将直接影响与其接触的复合材料制件的成型质量，垂直型面方向的翘曲变形将直接影响到大尺寸复合材料成型的曲率精度，所以型面变形场的表征方法应该与型面的变形直接相关。为对成型工装的型面变形量进行表征，所用支撑柱如图5所示。
图1所示工装中，其型面存在众多可用于表征型面变形量的位置，为方便解释问题，以支撑柱坐标所对应的型面位置的变形量来表征型面变形。鉴于模型所用支撑柱数量较多且考虑到模型结构的对称性，选取代表性的支撑柱坐标：U1V1、U7V1、U14V1、U1V3、U7V3、U14V3、U1V5、U7V5、U14V5、U3V1、U3V3 和U3V5，共12 个坐标位置。对流体仿真在整个热历程中计算得到的工装温度场，每隔100s存储一个温度场数据文件；将包含节点温度值的有限元模型导入有限元分析软件ANSYS，同时施加重力载荷，计算得到对应时刻热-结构耦合作用下工装的结构变形量。
鲁ICP备2021047099号