一种可调整复合材料模具设计装置与设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种模具设计装置与设计方法，特别是一种可调整复合材料模具设计 装置与设计方法，用于高精度复合材料模具的设计，属于卫星天线领域。
【背景技术】
[0002] 反射面天线模具是一种具有一定形状、尺寸和精度要求，为反射面天线制造的生 产工具。按照模具材料不同，可将天线反射面天线模具分为金属模具和复合材料模具等。金 属模具有铝模具、铸铁模具和殷钢模具；复合材料模具有碳纤维复合材料模具和石墨模具 等。
[0003] 在反射面天线固化成型过程中，反射器紧贴模具型面而固化成型，故模具型面精 度（RMS)是反射器型面加工精度的一个重要影响因素。由于天线反射器需在中、高温下固 化成型，使得模具在该温度载荷下产生热膨胀变形，造成热膨胀变形后的模具形面形状与 模具原理论形面形状不一致，使得紧贴模具固化成型的反射器相对于反射器理论型面不一 致，造成反射器型面精度变差。模具材料热膨胀系数（CTE)越大，则模具相对于原理论形面 形状的热变形量越大，反射型面精度更差。因而，模具型面精度和热膨胀系数是衡量反射面 天线t旲具性能的两个关键指标，是制造尚精度反射器的两个关键因素和瓶颈技术。
[0004] 传统铸铁模具和铝模具通过机械加工得到，模具型面精度取决于机械加工精度， 难于得到进一步提高，且模具热膨胀系数大，故难于加工高精度反射面天线。针对传统模 具的不足，目前采取的措施有：（1)采用低热膨胀系数的模具材料：低热膨胀系数模具材料 有殷钢、碳纤维复合材料和石墨。（2)对模具型面进行修正和补偿：模具型面补偿是通过计 算模具热膨胀变形量，并将该变形量反向补偿于模具型面得到新的模具型面方程的一种方 法。在该新的模具型面方程下，模具经热膨胀变形后膨胀至所需的理论方程。
[0005] 但上述设计方法不足之处在于：（1)模具的加工方式没有改变，仍通过机械加工 方式得到，模具型面精度难于得到保证和提高。（2)模具型面补偿方法是在假设均匀温度场 条件下计算的模具型面补偿量和补偿方程，与模具实际温度场存在一定差别，较难直接应 用于工程中。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种可调整复合材料模具 设计装置与设计方法，该模具采用国内易获得的高强度碳纤维复合材料作为模具材料以使 模具具有低热膨胀系数，通过型面调整来实现了模具型面的高精度，该方法可用于遥感卫 星、通信卫星中高精度反射器的研制，亦可应用于地面高精度反射器研制，满足了高精度、 低热膨胀系数反射面天线模具需要。
[0007] 本发明采取如下的技术解决方案：一种可调整复合材料模具设计装置，其特征在 于，主要包括模具型面、调整装置、调整工装、模具支撑背架和角片；
[0008] 所述调整装置布置在模具型面的一侧，且具有直线位移进给功能；
[0009] 所述模具型面通过调整装置与调整工装进行连接，所述调整工装上的基准点对模 具型面的精度进行测量，获得调整装置的法向位移偏差，调整装置根据法向位移偏差对模 具型面进行调整，
[0010] 所述模具支撑背架在模具型面调整完成后通过角片与模具型面进行连接。
[0011] 所述调整工装的刚度大于模具型面的刚度。
[0012] 所述模具支撑背架通过角片以粘接和/或机械连接的方式与模具型面连接。
[0013] 所述调整装置均匀布置于模具型面工作面的同侧或背侧。
[0014] -种可调整复合材料模具设计装置的可调整复合材料模具设计方法，包括以下步 骤：
[0015] (1)确定调整装置的安装位置；
[0016] (2)根据步骤（1)中确定的调整装置安装位置，设计模具型面和模具型面调整工 装；
[0017] (3)将设计得到的模具型面和调整工装通过调整装置进行安装连接；
[0018] (4)通过调整工装上的基准点对模具型面的精度进行测量；
[0019] (5)根据（4)中模具型面精度测量数据计算各调整装置处的法向位移偏差；
[0020] (6)根据（5)中计算得到的各调整装置处的法向位移偏差，对调整装置施加所需 调整量，对模具型面进行调整；
[0021] (7)当所有调整装置调整完成后，对模具型面的精度进行测量，若模具型面精度没 有提高，则进入步骤，否则返回步骤；
[0022] (8)根据步骤中确定的调整装置安装位置，设计框架结构模具支撑背架；
[0023](9)将模具型面与模具支撑背架通过角片进行连接；
[0024] (10)拆除调整装置和调整工装，得到最终的复合材料模具。
[0025] 根据中模具型面精度测量数据计算各调整装置处的法向位移偏差，具体由公式：
[0026]
[0027] 给出，其中，ΔΖ为调整装置处的法向位移值
为模具型面曲面方 程；f为模具型面焦距；（X$iM，y$iM，)为调整装置处实测值。
[0028] 所述模具型面为复合材料层压板结构，按照准各向同性铺层进行设计，铺层层数η 根据模具型面的初始型面精度和目标精度计算得到。
[0029] 所述调整工装的最大位移变形量应小于模具型面最大位移变形量的1/100。
[0030] 所述模具支撑背架各筋板均为复合材料层压板结构，按照准各向同性铺层进行设 计。
[0031] 所述模具支撑背架各筋板的厚度大于或等于5mm。
[0032] 本发明与现有技术相比有益效果为：
[0033]本发明中的模具型面精度通过若干调整装置对模具型面进行调整得到，而非通过 机械加工方式得到，提出了一种模具加工新途径，且提高了模具型面加工的精度。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明中调整装置示意图；
[0035] 图2为本发明中模具粘接示意图；
[0036] 图3按同心正六边形分布的调整装置位置分布示意图；
[0037] 图4为本发明的方法流程图。
[0038] 图5为本发明中调整工装。
[0039] 图6为本发明中复合材料模具。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图对本发明做详细的说明，具体如下：
[0041 ] 如图1所示为本发明中调整装置示意图，如图2所示为本发明中模具粘接示意图， 从图1和图2可知，本发明中的一种可调整复合材料模具设计装置，其特征在于，主要包括 模具型面1、调整装置2、调整工装3、模具支撑背架4和角片5 ;
[0042] 所述调整装置2布置在模具型面1的一侧，且具有直线位移进给功能；调整装置2 的位置可以根据需要任意布置，优选为均匀布置于模具型面1工作面的同侧或背侧，如图3 所示为按同心正六边形分布的调整装置位置分布示意图。
[0043] 所述模具型面1具备低热膨胀特点，优选为碳纤维复合材料，模具型面1为刚性或 半刚性薄壳结构，具有一定初始型面精度，通过调整装置2与调整工装3进行连接，所述调 整工装3上的基准点对模具型面1的型面精度进行测量，获得调整装置2的法向位移偏差， 调整装置2根据法向位移偏差对模具型面1进行调整，调整工装3不限于图中结构形式，调 整工装3的刚度大于模具型面1的刚度，其作用是为若干调整装置2提供安装平台，并为模 具型面1和调整装置2提供支撑。
[0044] 所述模具支撑背架4在模具型面1调整完成后通过角片5与模具型面1以粘接、 机械连接或粘接与机械连接组合方式进行型面固定，模具支撑背架4可设计为与调整工装 3通用的结构，也可由调整工装3替代，且具体的结构不限于图中结构形式，只要能满足保 持模具型面1精度并使得模具具有足够的刚度以满足加工反射面天线的要求即可。模具支 撑背架4可与模具型面1材料相同，也可采用其他的材料。角片5可与模具型面1材料相 同，也可采用其他的材料。
[0045] 如图4所示为本发明的方法流程图，从图4可知，本发明提出的一种可调整复合材 料模具设计方法，包括以下步骤：
[0046] (1)确定调整装置2的安装位置；
[0047] (2)根据步骤（1)中确定的调整装置2安装位置，确定模具型面1中与调整 装置2连接的埋件安装位置。模具型面为复合材料层压板结构，按照准各向同性铺层 ([0° /±45° /90° ]ns，n=l、2、3、···）进行设计，以保证模具型面具有相同的面内刚度 和热膨胀系数。其中，模具型面铺层层数η由模具型面初始型面精度和目标精度，经通用有 限元分析软件计算得到。其计算算法介绍如下：
[0048] 设调整装置数量为a，模具型面测量点个数为b，根据模具型面初始型面精度按公 式⑴计算得各调整装置的初始法向偏差为Ι= ……
[0049]
Cl) 7ry
[0050] 其中，Az为调整装置处的法向位移值，ζ=_ΠλΥι、)=^21为模具型面曲面方程；f 4J 为模具型面焦距；(X$iM，y$iM，z$iM )为调整装置处实测值。
[0051] 对第i(i= 1、2、3、一、a)个调整装置调整施加法向调整位移δ#寸，模具型面边 界约束为：约束其他a-Ι个调整装置X、Υ、Ζ三个方向平移量，则在各点产生的位移变形量 矩阵C(a+b)X6为：
[0052]
[0053]
[0054] 其中，矩阵··· & ···占/为调整装置法向位移偏差矩阵，当调整第i