专利名称：树脂基复合材料等厚层板热压工艺过程压力制度的优化方法
技术领域：
本发明涉及一种热压工艺的优化方法，具体地说，是指一种适用于树脂基复合材料等厚层板热压工艺过程压力制度的优化方法，是通过计算机、树脂基复合材料热压成型模拟单元、工艺参数优化目标与方法单元实现的，采用本发明方法能够在脱离实际生产线条件下快速确定满足目标要求的优化压力制度，并且优化的工艺制度可以与热压成型数控系统相结合，指导树脂基复合材料等厚层板热压成型工业化作业。
背景技术：
热压成型一直是航空航天领域生产主承力结构先进树脂基复合材料制件最重要的工艺方法，然而高昂的制造成本严重制约了它的发展和应用。目前造成先进树脂基复合材料构件制造成本过高的主要原因如下(1)研制模式落后，研制周期长、效率低。当前研制复合材料结构都是采用试验摸索，先是试样的试验，再做缩比件试验，经过反复数次确定制造工艺，研制周期长；复合材料结构工艺参数的优化都是凭经验和试验，费用高，科学性差。(2)制造规范不通用。针对某一复合材料构件从大量试验摸索形成的一种较合理的制造工艺规范，只适用这一特定情况，复合材料构件结构形式一旦改变，又需要新做大量试验，耗资耗时。(3)制件质量可控性差，造成复合材料性能分散，材料许用值低，构件合格率低。解决先进树脂基复合材料制造成本过高的主要方法开展制造过程数值模拟和优化，发展新型高效低成本制造技术。其核心是在弄清制造过程热化学、热物理变化的基础上，实现研制模式的转变和制造过程的模拟与优化。
在热压成型中，树脂基复合材料在热和压力作用下发生一系列物理、化学变化和化学-物理的耦合变化，包括热传导、固化放热、树脂流动、纤维密实等，它们一方面决定着最终制件性能，反映工艺参数的合理性；另一方面又受到原材料特性和制件形状的影响。树脂基复合材料热压成型典型工艺制度(参见图1C所示)包括有温度与时间的关系(又称温度制度)、压力与时间的关系(又称压力制度，即压力大小和加压时机)。成型压力决定着树脂流动过程驱动力的大小，同时压力大小和加压时机是影响最终层板纤维含量、分布均匀性以及层板厚度的主要因素，建立成型过程数学模型和工艺参数优化方法，采用计算机及数值技术，在脱离生产线的情况下，预测制件成型质量、评价成型工艺、优化工艺参数，快速制定满足目标要求的最佳工艺制度，是目前实现树脂基复合材料低成本、高品质制造的科学途径之一。
发明内容
本发明的目的是提出一种等厚层板热压过程压力制度的优化方法，是一种适用于提高树脂基复合材料制件热压成型质量的工艺优化方法。该方法通过遗传算法，结合树脂基复合材料热压成型模拟单元树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2，在温度制度的基础上，可以对压力大小和加压时机进行优化，获得满足目标纤维体积分数及其分布均匀，效率最高且工程可行的压力制度。采用本发明获取的优化工艺参数与热压成型中的数控系统相结合，可以指导树脂基复合材料等厚层板热压成型的工业化作业，缩短研制周期、降低制造成本，提高产品质量。
本发明是一种利用计算机模拟对树脂基复合材料等厚层板热压工艺的压力制度进行优化的数字化方法，该PCO(Pressure Cycle Optimization)方法包括制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2、材料特性数据库单元3、树脂基复合材料热压成型模拟单元4、制件质量预测单元5、工艺参数优化目标与方法单元6、优化工艺参数单元7。所述层板质量预测单元5，在已知所述制件构形和初始设置参量F1的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F2和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F2，并将初始设置参量F1、工艺参量F2和材料参量F3在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，存储在制件质量预测单元5中。所述优化工艺参数单元7，在拾取所述制件构形与网格剖分单元1中制件初始设置参量F1，拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F2和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F3，在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，并与所述工艺参数优化目标与方法单元6中的优化目标参量F4进行比较，结合相应的工艺参数优化方法，调整成型工艺参数，得到满足优化目标参量F4的工艺制度参数，输出并存储在优化工艺参数单元7中。运用本发明PCO方法，在温度制度的基础上，可以对压力大小和加压时机进行优化，获得满足目标纤维体积分数及其分布均匀，效率最高且工程可行的压力制度。
本发明树脂基复合材料等厚层板热压工艺过程压力制度优化(PCO)方法具有如下优点 一、制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2通过可视化的界面进行参数设置，将其引入树脂基复合材料热压成型的模拟单元4中，其操作简单，模拟效率高，实时性强； 二、采用较为成熟的材料特性数据库3，使模拟所需的与树脂和纤维特性相关参量的准确度得到了保证，因此模拟精度高； 三、树脂基复合材料热压成型模拟单元4基于数学模型与计算机技术相结合，能够对树脂基复合材料等厚层板热压成型中树脂流动与纤维密实过程进行模拟，能预测层板厚度和纤维体积分数，避免工业化生产中出现层板内纤维分布不均匀等成型问题； 四、工艺参数优化目标与方法单元6、树脂基复合材料热压成型模拟单元4相结合与制件质量预测单元5，采用遗传算法能够在脱离实际生产线状态下优化压力制度，优化工艺参数7与热压成型数控系统相结合，可以指导树脂基复合材料等厚层板热压成型的工业化作业，缩短研制周期、降低制造成本，提高产品质量。
图1为树脂基复合材料热压成型模拟系统的结构示意框图。
图1A为本发明等厚层板初始条件设置单元的设置界面示意图。
图1B为本发明成型工艺参数设置单元的设置界面示意图。
图1C为本发明树脂基复合材料热压成型典型工艺制度示意图。
图1D为本发明优化目标设置的界面示意图。
图2为本发明层板模型结构示意图。
图3为T700SC碳纤维/环氧5228树脂层板的结构示意图。
图3A为T700SC碳纤维/环氧5228树脂层板的网络剖分示意图。
图3B为T700SC碳纤维/环氧5228树脂层板的计算机界面。
图4为t＝3000s层板厚度方向纤维体积分数分布。
图5为t＝3000s层板厚度方向纤维承载压力分布。
具体实施例方式 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种利用计算机模拟对树脂基复合材料等厚层板热压工艺的压力制度进行优化的数字化方法，所述压力制度优化方法简称为PCO(Pressure CycleOptimization)方法，PCO方法包括制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2、材料特性数据库单元3、树脂基复合材料热压成型模拟单元4、制件质量预测单元5、工艺参数优化目标与方法单元6、优化工艺参数单元7(参见图1所示)。
所述层板质量预测单元5，在已知所述制件构形和初始设置参量F1的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F2和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F2，并将初始设置参量F1、工艺参量F2和材料参量F3在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，存储在制件质量预测单元5中。
所述优化工艺参数单元7，在拾取所述制件构形与网格剖分单元1中制件初始设置参量F1，拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F2和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F3，在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，并与所述工艺参数优化目标与方法单元6中的优化目标参量F4进行比较，结合相应的工艺参数优化方法，调整成型工艺参数，得到满足优化目标参量F4的工艺制度参数，输出并存储在优化工艺参数单元7中。
参见图1A所示，在本发明中，制件构形与网格单元1中的制件初始设置参量F1包括吸胶方式、预浸料初始纤维体积分数、预浸料铺层层数、层板初始厚度，这些参量可以通过界面方式录入。
参见图1B所示，在本发明中，成型工艺参数设置单元中的工艺参量F2包括有温度-时间关系、外加正压力、真空度、加压时机，这些参量可以通过界面方式进行参数录入，也可以通过数学模型解析获得后存储于计算机中，等待运用时提取相应的文件即可。
参见图1C所示，树脂基复合材料热压成型典型工艺制度示意图，包括有温度与时间的关系(又称温度制度)、压力与时间的关系(又称压力制度)。图中，横坐标tc是指工艺时间(单位s)，0～tc1表示第一段工艺时间，tc1～tc2表示第二段工艺时间，tc2～tc3表示第三段工艺时间，tc3～tc4表示第四段工艺时间；左边纵坐标T是指在有效工艺时间内的热压成型温度，T1表示在第一段工艺时间初始温度，T1取值为18～33℃；T2表示在第二段工艺时间的温度，T2取值为70～160℃；T3表示在第四段工艺时间的温度，T3取值为100～210℃。在第四段工艺时间之后自然冷却至室温。横坐标tcjia表示加压时刻(又称加压时机)，以工艺时间的零点为基准；右边纵坐标是指在有效工艺时间内的热压成型压力，P1表示真空度，P1取值为0.0～0.1MPa；P2表示tcjia之前层板所受环境大气压，通常P2取值为0.1MPa；P2表示tcjia之后施加的外力(是指表压)，P3取值为0.1～2.0MPa。
在本发明中，材料特性数据库单元3中的材料参量F3包括有树脂种类、纤维种类、织物类型、铺层方式；所述树脂种类是环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、双马树脂等；所述纤维种类是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等；所述织物类型是单向预浸料、单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物等；所述铺层方式包括单向铺层、正交铺层、准各向同性铺层等；树脂种类的不同，其粘度模型以及模型中涉及参数的取值不同，可以采用流变仪测试得到；纤维种类、织物类型、铺层方式影响纤维层渗透率、纤维层的压缩特性，采用实验室自行设计的测试装置进行测量；材料特性数据库包含了所述与树脂种类相关联的粘度数据、所述与纤维种类、织物类型、铺层方式相关联的渗透率、压缩特性数据，是北京航空航天大学材料学院经多年对树脂基复合材料体系进行实验研究、测试、测量获得的，具有准确性、可靠性，曾被北京市聚合物基复合材料技术实验室用作工艺分析的数据源之一。
在本发明中，所述压力制度的优化是在热压成型中设定温度制度条件下，分别对工艺压力Pc和加压时机进行优化。所述压力制度包括工艺压力Pc和加压时机，所述温度制度与树脂相关，所述工艺压力Pc是指外加压力Pa与真空度Pb之和，外加正压力Pa是指热压罐气压或热压机机械压，真空度Pb是指预浸料封装体系内的真度，所述工艺压力Pc的优化是在温度制度和加压时机确定的条件下，通过遗传算法得到满足目标所需工艺压力值。所述加压时机的优化是在温度制度和工艺压力值确定的条件下，通过遗传算法得到满足目标所需加压时机。
在本发明中，工艺参数优化目标与方法单元6，采用遗传算法进行优化；参见图1D所示，所述工艺参数优化目标与方法单元6中的优化目标参量F4是目标平均纤维体积分数。
在本发明中，公知计算机的最低要求为CPU PIV 1.8G以上，内存256M以上，硬盘20G以上。借用计算机所固有的运算特性，树脂基复合材料热压成型过程的数字化模拟方法操作方便、模拟结果精确。通过计算机模拟能够有效地缩短研制周期、降低研制成本，提高制件质量。
在本发明中，在温度制度和加压时机确定的条件下，工艺压力Pc的优化步骤有 第一步在工艺压力Pc(0.1＜Pc＜2.0MPa)条件下，拾取适应度函数Fi； 所述适应度函数式中，
表示平均纤维体积分数，通过树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2获得，
表示设定的目标平均纤维体积分数； 第二步在确定的工艺压力Pc范围内，拾取可行解群体； 第三步在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中解析可行解群体中每个可行解所对应的层板平均纤维体积分数
所述在树脂基复合材料热压成型模拟单元4中解析层板平均纤维体积分数
的步骤有 第1步在所述制件构形与网格剖分单元1中提取制件初始设置参量F1(参见图1A所示)；在本发明中，根据制件初始设置参量F1中层板初始厚度，采用计算机技术对等厚层板进行三维模型(参见图2所示)，并对建立获得三维层板图形进行网格剖分处理，获得带有节点的层板模型(参见图3A所示)，并将所述节点层板模型保存为一个文本格式文件(*.TXT)；所述文本格式文件可以方便以后模拟所需参数的提取。图2中，x轴表示层板模型的长度方向，z轴表示层板模型的厚度方向。
第2步在所述成型工艺参数设置单元2中提取工艺参量F2，其中工艺压力Pc取值从第二步可行解群体中获得； 第3步在所述材料特性数据库单元3中提取材料参量F3； 第4步在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4获取树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2，采用有限差分和牛顿迭代方法，可以解析得到层板内纤维承载压力Pf以及纤维体积分数Vf，根据层板内不同位置的纤维体积分数，解析得到层板的平均纤维体积分数
所述树脂流动与纤维密实关系式 式中，Pf表示纤维承载压力，Pc表示工艺压力，t表示模拟时间，Vf表示纤维体积分数，V0表示预浸料初始纤维体积分数，z表示层板厚度方向，Szz表示层板厚度方向渗透率，μ表示树脂粘度； 所述纤维承载压力与纤维体积分数关系式 式中，Pf表示纤维承载压力，E表示纤维的弯曲模量，β表示纤维层压缩特性系数，Vf表示纤维体积分数，V0表示预浸料初始纤维体积分数，Va表示密实堆积纤维体积分数。
第四步在所述工艺优化目标与方法单元6中提取工艺优化的目标平均纤维体积分数
将目标平均纤维体积分数
和第三步解析得到的平均纤维体积分数
代入适应度函数Fi，解析适应度值，按照适应度值的大小来评价可行解的好坏；以优胜劣汰的机制，将适应度差的染色体淘汰掉，对幸存的染色体根据其适应度值的好坏，按概率随机选择，进行繁殖，形成新的群体；通过杂交和变异的操作，产生子代，杂交是随机选择两条染色体(双亲)，将某一点或多点的基因互换而产生两个新个体；变异是基因中的某一点或多点发生突变； 第五步对子代群体重复第三步、第四步的操作，进行新一轮遗传进化过程，直到适应度值满足停止规则，迭代停止，即找到了最优解。
在本发明中，在温度制度和工艺压力大小确定的条件，加压时机的优化步骤有 第一步在加压时机tcjia(0＜tcjia＜120min)条件下，拾取适应度函数Ei； 所述适应度函数式中，
表示平均纤维体积分数，通过树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2获得，
表示设定的目标平均纤维体积分数； 第二步在确定的范围加压时机内，拾取可行解群体； 第三步、第四步、第五步解析方法与工艺压力大小的优化方法相同。在本发明中制件初始设置参量F1中的层板初始厚度式中，N表示预浸料铺层层数，af表示预浸料纤维面密度，ρf表示纤维的体密度，V0表示预浸料初始纤维体积分数。
在本发明中，树脂基复合材料热压成型模拟单元4中的解析如下 (一)树脂流动与纤维密实关系式G1 式中，Pf表示纤维承载压力，Pc表示工艺压力，t表示模拟时间，Vf表示纤维体积分数，V0表示预浸料初始纤维体积分数，z表示层板厚度方向，Szz表示层板厚度方向渗透率，μ表示树脂粘度； 在式(1)中，纤维承载压力的初始条件为在层板内任意位置Pf＝0。
在式(1)中设定的边界条件为 在铺放吸胶材料的边界 Pf＝Pc(2) 式中，Pc表示工艺压力，且满足Pc＝Pa+Pb，即工艺压力是外加正压力Pa与真空度Pb之和； 在没有铺放吸胶材料的边界或上下表面对称吸胶铺层结构的中心面的边界 (3) 式中，Pf表示纤维承载压力，Vf表示纤维体积分数，z表示层板厚度方向。根据式(1)和初始及边界条件，采用有限差分方法解析纤维承载压力Pf。
(二)纤维承载压力与纤维体积分数满足关系式G2 式中，Pf表示纤维承载压力，Vf表示纤维体积分数，E表示纤维的弯曲模量，β表示在热压成型过程中纤维层在有压力条件下的变形能力的特性系数，简称纤维层压缩特性系数，V0表示预浸料初始纤维体积分数，Va表示根据纤维六方密实堆积条件下的纤维体积分数，为一常数，简称密实堆积纤维体积分数。
(三)为了从纤维承载压力Pf高效快速地求出纤维体积分数Vf，首先从迭代次数为0开始， 即开始，则迭代计算的下一步直至结束；然后，利用牛顿迭代法解析出纤维体积分数Vf，牛顿迭代模型G3如下 式中，m表示迭代次数，Vfm表示迭代m次的纤维体积分数，Pf表示纤维承载压力，P表示当前时刻纤维承载压力； (四)本发明中树脂承载压力Pf与纤维承载压力Pf关系为 Pr＝Pc-Pf (6) 式中，Pr表示树脂承载压力，Pf表示纤维承载压力，Pc表示工艺压力；通过式(6)解析得到树脂承载压力Pr。
(五)本发明中层板厚度h与纤维体积分数Vf关系为 式中，h表示层板厚度，V0表示预浸料初始纤维体积分数，Dz预浸料片层初始厚度，N表示预浸料铺层层数，i表示第i纤维层，Vfi表示第i纤维层纤维体积分数；通过式(7)解析得到层板厚度h。
(六)本发明中，层板平均纤维体积分数
与纤维体积分数Vf关系为 式中，N表示预浸料铺层层数，i表示第i纤维层，Vfi表示第i纤维层纤维体积分数，
表示平均纤维体积分数；通过式(8)得到层板平均纤维体积分数
实施例1单向铺30层的T700SC碳纤维/环氧5228树脂等厚层板，其工艺压力大小的优化。
实施例1的结构参见图3所示，在模具1内从下至上顺序排放有下吸胶纸31、A层纤维101、A层树脂201、B层纤维102、B层树脂202、C层纤维103、C层树脂203、D层纤维104、D层树脂204、F层纤维130、F层树脂230、上吸胶纸32。这是一种常见的“预浸料铺层层数”(参见图1A所示)的铺层体系，但T700SC碳纤维/环氧5228树脂材料本身是纤维和树脂的组合体，为了方便介绍故画出该结构示意图。
第一步在工艺压力Pc(0.1＜Pc＜2.0MPa)条件下，拾取适应度函数式中，
表示平均纤维体积分数，根据树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2获得，
表示设定的目标平均纤维体积分数； 第二步在确定的工艺压力Pc范围内，选取10个工艺压力值形成一个可行解群体； 第三步在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中解析可行解群体中每个可行解所对应的层板平均纤维体积分数
所述在树脂基复合材料热压成型模拟单元4中解析层板平均纤维体积分数
的步骤有 第1步在所述制件构形(参见图3所示)与网格剖分单元1中拾取制件初始设置参量F1，吸胶方式为预浸料上下表面对称吸胶，预浸料初始纤维体积分数V0为55％，预浸料铺层层数30层，层板初始厚度h0为4.26mm。在Patran软件中创建出三维层板图形，然后对所述三维层板图形进行30×10网格剖分处理(参见图3A所示)，获得带有节点的层板模型(显示屏上会有彩色三维图片显示)，并将所述节点层板模型保存为一个文本格式文件，即MLCB.TXT； 第2步在所述成型工艺参数设置单元2中提取工艺参量F2，温度-时间关系为以2℃/min的升温速率从室温30℃升到130℃，在130℃下恒温25min后以2℃/min的升温速率从130℃升到180℃，最后在180℃下恒温60min。根据温度-时间关系在计算机上通过解析生成时间和温度数据，将其保存在data.txt文件中；真空度为0.0MPa，加压时机为75min，工艺压力从第三步确定的可行解群体中获得。在计算机可视化界面(参见图3B所示)设置模拟总时间为3000s、时间步长Δt＝10s。
第3步在所述材料特性数据库单元中提取材料参量F3，树脂种类环氧5228，纤维种类T700SC碳纤维，织物类型单向预浸料，铺层方式单向铺层。根据所述材料参量，可以从材料特性数据库中提取出计算所需的与纤维和树脂相关参量包括粘度模型、纤维渗透率模型、纤维压缩模型中的参数。
第4步在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4，获取树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2，采用有限差分和牛顿迭代方法，可以解析得到层板内不同位置处的纤维承载压力Pf以及纤维体积分数Vf，根据层板内不同位置的纤维体积分数Vf，解析得到层板的平均纤维体积分数
根据可行解群体中的工艺压力取值，通过APCPS单元，解析得到层板的平均纤维体积分数
分别为 第四步在工艺优化目标与方法单元6中提取工艺优化的目标平均纤维体积分数并将目标平均纤维体积分数
和第三步解析得到的平均纤维体积分数
代入适应度函数Fi，解析适应度值，按适应度值大小来评价可行解好坏； 根据可行解群体中的工艺压力值，解析得到适应度值分别为 以优胜劣汰的机制，将适应度差的染色体淘汰掉，对幸存的染色体根据其适应度值的大小，按概率随机选择，进行繁殖，形成新的群体；通过杂交和变异的操作，产生子代，杂交是随机选择两条染色体(双亲)，将某一点或多点的基因互换而产生两个新个体；变异是基因中的某一点或多点发生突变； 第五步对子代群体重复第三步、第四步的操作，进行新一轮遗传进化过程，直到适应度值最小，迭代停止，输出最优解。
通过所述工艺压力的优化方法，可以解析得到满足目标纤维体积分数的工艺压力为0.415MPa。在所述层板初始条件和温度制度条件下，满足层板目标纤维体积分数的优化压力制度加压时机为75min，工艺压力0.415MPa。
通过上述模拟计算，解析得到优化压力制度条件下，模拟时间t＝3000s时刻，层板厚度纤维体积分数分布如图4所示，图中，厚度方向纤维分布不均匀，越靠近上吸胶纸32和下吸胶纸31位置，纤维体积分数越大，越靠近层板中心位置纤维体积分数越小；模拟时间t＝3000s时刻，层板厚度纤维承载压力分布如图5所示，靠近吸胶纸位置纤维承载压力最大，越靠近层板中心位置纤维承载压力越小；t＝3000s时刻，层板厚度h为3.85mm，平均纤维体积分数
为62.0％，优化得到的压力制度可以满足目标要求。
本发明是一种利用计算机模拟对树脂基复合材料等厚层板热压工艺的压力制度进行优化的数字化方法，该模拟方法为了解决树脂基复合材料在热压成型中的制造工艺不通用、制件质量可控性差、制件合格率较低等问题，采用遗传算法和确定压力Pc条件下的适应度函数Fi，利用树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2，获得了满足目标要求的压力制度参数，实现了在脱离实际生产线的条件下对等厚层板热压工艺的压力制度优化。该优化工艺制度可以与树脂基复合材料热压成型数控系统结合，指导热压成型工业化生产，保证复合材料制件成型质量，提高生产效率。
本发明中引用符号所表示的物理意义见下表
权利要求
1、一种利用计算机优化树脂基复合材料等厚层板热压工艺过程压力制度的数字化方法，该方法包括有材料特性数据库单元(3)，其特征在于还包括有制件构形与网格剖分单元(1)、成型工艺参数设置单元(2)、树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)、制件质量预测单元(5)、工艺参数优化目标与方法单元(6)、优化工艺参数单元(7)；
所述层板质量预测单元(5)，在已知所述制件构形和初始设置参量F1的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元(2)中的工艺参量F2和所述材料特性数据库单元(3)中的材料参量F3，并将初始设置参量F1、工艺参量F2和材料参量F3在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中处理，获得决定层板质量的参量，并存储在制件质量预测单元(5)中。
所述优化工艺参数单元(7)，在已知所述制件构形和初始设置参量F1的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元(2)中的工艺参量F2和所述材料特性数据库单元(3)中的材料参量F3，在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中处理，获得决定层板质量的参量，并与所述工艺参数优化目标与方法单元(6)中的优化目标参量F4进行比较，结合工艺参数优化方法自动调整成型工艺参数，得到满足优化目标参量F4的工艺制度参数，输出并存储在优化工艺参数单元(7)中。
2、根据权利要求1所述的等厚层板热压工艺过程压力制度的数字化模拟方法，其特征在于所述成型工艺参数设置单元(2)中温度制度和加压时机确定的条件下工艺压力Pc优化的实施步骤有
第一步在工艺压力Pc(0.1＜Pc＜2.0MPa)条件下，拾取适应度函数Fi；
所述适应度函数式中，
表示平均纤维体积分数，通过树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2获得，
表示设定的目标平均纤维体积分数；
第二步在确定的工艺压力Pc范围内，拾取可行解群体；
第三步在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中解析可行解群体中每个可行解所对应的层板平均纤维体积分数
第四步在所述工艺优化目标与方法单元(6)中提取工艺优化的目标平均纤维体积分数
并将目标平均纤维体积分数
和第四步解析得到的平均纤维体积分数
代入适应度函数Fi，解析适应度值，按照适应度值的大小来评价该可行解的好坏；以优胜劣汰的机制，将适应度差的染色体淘汰掉，对幸存的染色体根据其适应度值的好坏，按概率随机选择，进行繁殖，形成新的群体；通过杂交和变异的操作，产生子代，杂交是随机选择两条染色体(双亲)，将某一点或多点的基因互换而产生两个新个体；变异是基因中的某一点或多点发生突变；
第五步对子代群体重复第三步、第四步的操作，进行新一轮遗传进化过程，直到适应度值满足停止规则，迭代停止，即找到了最优解。
3、根据权利要求2所述的等厚层板热压工艺过程压力制度的数字化模拟方法，其特征在于第三步在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中解析可行解所对应的层板平均纤维体积分数
其解析步骤为
第1步在所述制件构形与网格剖分单元(1)中提取制件初始设置参量F1；
第2步在所述成型工艺参数设置单元(2)中提取工艺参量F2，其中工艺压力Pc取值从可行解群体中获得；
第3步在所述材料特性数据库单元(3)中提取材料参量F3；
第4步在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元(4)中获得树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2；
所述树脂流动与纤维密实关系式式中，Pf表示纤维承载压力，Pc表示工艺压力，t表示模拟时间，Vf表示纤维体积分数，V0表示预浸料初始纤维体积分数，z表示层板厚度方向，Szz表示层板厚度方向的渗透率，μ表示树脂粘度；所述工艺压力Pc满足Pc＝Pa+Pb，Pa表示外加正压力，Pb表示真空度；
所述纤维承载压力与纤维体积分数满足关系式式中，Pf表示纤维承载压力，E表示纤维的弯曲模量，β表示纤维层压缩特性系数，Vf表示纤维体积分数，V0表示预浸料初始纤维体积分数，Va表示密实堆积纤维体积分数。
4、根据权利要求3所述的等厚层板热压工艺过程压力制度的数字化模拟方法，其特征在于第1步中的制件构形初始设置参量F1中的层板初始厚度式中，N表示预浸料铺层层数，af表示预浸料纤维面密度，ρf表示纤维的体密度，V0表示预浸料初始纤维体积分数。
5、根据权利要求3所述的等厚层板热压工艺过程压力制度的数字化模拟方法，其特征在于第4步中的纤维体积分数Vf采用牛顿迭代模型G3获得；所述牛顿迭代模型式中，m表示迭代次数，Vfm表示迭代m次的纤维体积分数，Pf表示纤维承载压力，P表示当前时刻纤维承载压力。
全文摘要
本发明是一种利用计算机模拟对树脂基复合材料等厚层板热压工艺的压力制度进行优化的数字化方法，该方法包括有制件构形与网格剖分单元、成型工艺参数设置单元、材料特性数据库单元、树脂基复合材料热压成型模拟单元、制件质量预测单元、工艺参数优化目标与方法单元、优化工艺参数单元。该方法通过遗传算法，利用树脂基复合材料热压成型模拟单元树脂流动与纤维密实关系式G1和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G2，在温度制度的基础上，可以对压力大小和加压时机进行优化，获得满足目标纤维体积分数以及分布，效率最高且工程可行的压力制度。采用本发明获取的优化工艺参数与热压成型中的数控系统相结合，可以指导树脂基复合材料等厚层板热压成型的工业化作业，缩短研制周期、降低制造成本，提高产品质量。
文档编号G06F17/50GK101089754SQ200710117730
公开日2007年12月19日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年6月22日
发明者李敏, 李艳霞, 张佐光, 顾轶卓 申请人:北京航空航天大学