专利名称:基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法
技术领域:
本发明涉及一种基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法, 属于复合材料构件热压罐成型工装设计技术领域。
背景技术:
碳纤维增强树脂基复合材料因其高比强度、高比刚度、耐腐蚀、可设计等优点,获得了航空业的广泛应用,其用量已成为飞机先进性标志之一。目前,国内航空企业主要采用热压罐成型工艺制造复合材料构件。在成型过程中,复合材料构件受到一定温度和压力,产生固化变形。这增加了构件后继加工和装配的难度,变形过大时甚至导致构件报废,增加制造成本。热压罐成型工装是复合材料构件成型的基础,它起到传递温度和压力、定位和保证型面尺寸精度的作用。在工装设计中需要重点考虑的是工装型面设计,这对复合材料构件成型精度和质量起着不可忽视的作用。传统采用反复调整工装的方法,来减小构件的变形, 使其满足尺寸精度要求。此方法主要依据经验,不能定量精确地把握修模程度,成型的复合材料构件的尺寸精度低,构件型面精度得不到保证,为提高工装成形制件的精度,需经历反复试错修模,研制成本高,周期长。随着有限元技术的发展,模拟复合材料构件固化变形已日趋成熟。基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法能够定量快速地确定工装的设计型面,保证构件精度,提高生产效率。
发明内容
传统工装设计直接取得构件型面作为工装型面,构件固化成型后发生固化变形, 需通过反复修模来保证构件的尺寸精度,效率低,成本高。针对这些问题,本发明目的在于基于构件固化变形的有限元分析,通过构件型面的节点位移量来补偿工装型面,达到构件的尺寸精度要求,最终确定工装设计型面。本发明提供了一种工装型面设计的新方法,与传统“试错法”相比,能够提高效率,节约成本,设计的工装型面能够保证构件的尺寸精度。本发明的设计方案
一种基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法,适用于热压罐成型复合材料构件的固化工艺制度、构件几何与材料参数、工装支撑结构与材料参数已知的前提条件下进行,其特征在于,步骤如下
(1)由构件设计型面P提取生成工装的初始型面G;
(2)为第(1)步中两型面划分相同的网格,根据复合材料固化过程的多场耦合关系及材料的本构关系,编写有限元程序,实现构件的固化变形分析,得到构件固化变形后的型面;
(3)计算构件型面各节点位移量AL,据此判断构件的尺寸精度是否满足要求,若满足要求,则进入第( 步;若不满足要求,则进入第(4)步;(4)计算构件节点沿坐标轴方向的位移量,补偿到工装型面节点上,得到新的工装型面节点,拟合成新的工装型面;
(5)完成上一步的工装型面补偿设计后,重复第C3)(4)步,直到补偿后的工装能够保证构件的成型精度,即完成工装的型面补偿设计。有益效果本发明是一种基于有限元分析的热压罐成型工装型面设计方法,应用这种设计方法,消除了传统方法直接提取复合材料构件型面设计工装所造成的构件精度低,需反复试错修模的难题。在保证精度的前提下,提高了设计质量和效率。
图1为基于有限元分析的热压罐工装型面设计方法流程图。图2复合材料固化过程多场耦合关系图。图3构件固化变形有限元计算流程图,图中为凝胶点固化度,Ts为玻璃化转变温度。图4构件变形节点位移量示意图,图中,力节点变形前的节点,乂为变形后的对应节点,Δ£为趵和h距离之差。图5构件固化变形及工装补偿示意图,图中Pi、表示构件或工装上某节点,表
示构件固化变形后对应节点乂表示工装补偿设计后对应节点;A表示固化变形后构件型
面;B表示构件的设计型面,也是工装的初始设计型面;C表示补偿设计后工装的型面。图6分析模型网格划分及几何尺寸示意图,A、B、C、D为工装对称面上的四个点。图7模具型面的补偿过程及构件变形,图中共有四个型面,design为构件的设计型面,即工装的初始设计型面;defl为没有对工装进行补偿设计,构件变形后型面; design2为对工装型面进行补偿后的型面;def2为对工装进行一次补偿设计后,构件的变形。
具体实施例方式一种基于有限元分析的热压罐成型工装型面设计方法,适用于热压罐成型复合材料构件的固化工艺制度、构件几何与材料参数、工装支撑结构与材料参数已知的前提条件下进行。下面以图6所示的柱面复合材料构件为例来说明工装型面补偿设计方法的实施过程,工装为圆柱形,厚度d为12mm,构件厚度为5mm,内侧半径为200mm。具体实施步骤如下
(1)由构件设计型面P直接提取生成工装的初始型面G,设计工装结构。(2)为第(1)步中构件和工装型面划分相同的网格,根据复合材料固化过程的多场耦合关系及材料的本构关系,基于通用有限元平台开发程序,实现构件的固化变形分析, 得到构件固化变形后的型面。步骤O)的实现如下
a)建立热压罐几何模型,根据固化工艺制度,定义热压罐内空气密度、黏度、导热系数、 压力、风速等参数,使用通用有限元软件平台流体分析功能建立气流场-温度场耦合关系;
b)根据构件树脂材料参数,基于树脂的固化动力学方程,开发程序定义树脂的固化反应,温度影响树脂的固化度,固化反应放热反作用于温度,通过程序间的温度和固化度传递,建立温度场-化学场耦合关系
在已知或实验测定固化参数的前提下,根据傅立叶传热定律和能量守恒定律,建立热
压罐内热传导的控制方程
权利要求
1.一种基于有限元分析的热压罐成型工装型面设计方法,适用于热压罐成型复合材料构件的固化工艺制度、构件几何与材料参数、工装支撑结构与材料参数已知的前提条件下进行,其特征在于,步骤如下(1)由构件设计型面P提取生成工装的初始型面G;(2)为步骤(1)中两型面划分相同的网格,根据复合材料固化过程的多场耦合关系及材料的本构关系,编写有限元程序,实现构件的固化变形分析,得到构件固化变形后的型面;(3)计算构件型面各节点位移量AL,据此判断构件的尺寸精度是否满足要求,若满足要求,则进入第( 步;若不满足要求,则进入第(4)步;(4)计算构件节点沿坐标轴方向的位移量,补偿到工装型面节点上,得到新的工装型面节点,拟合成新的工装型面;(5)完成上一步的工装型面补偿设计后,重复第C3)(4)步,直到补偿后的工装能够保证构件的成型精度,即完成工装的型面补偿设计。
2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的热压罐成型工装型面设计方法,其特征在于所述的第(4)步中构件节点沿坐标轴方向的位移量Ο^.Δ^Δζ)为构件固化变形前后型面节点坐标值之差。
全文摘要
本发明涉及一种基于有限元分析的复合材料构件热压罐成型工装型面设计方法,属于复合材料构件热压罐成型工装设计技术领域。该方法首先以构件设计型面作为工装的初始型面;开发有限元程序实现复合材料构件固化变形分析,得到构件固化变形后的型面;在全局坐标系下,计算构件各节点位移量 L,据此判断构件的尺寸精度是否满足要求,若满足,则完成工装型面设计;若不满足,则将构件节点沿坐标轴方向的位移量补偿到工装型面节点上,得到新的工装型面;重复有限元分析及判断过程,直到得到满足精度要求的工装型面为止。该方法解决了传统设计方法由构件型面直接提取生成工装型面,然后根据构件变形反复修模的问题,提高了构件成型精度,降低了研制成本。
文档编号G06F17/50GK102567582SQ20111045198
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者万世明, 张吉, 李楠垭, 李迎光, 杭翔 申请人:南京航空航天大学