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大型复合材料成型工装热-构造耦合变形剖析-7868.com-金沙国际在线开户33883.com

文章出处:网络责任编辑:管理员-金沙国际在线开户33883.com人气:-7868.com宣布工夫:2015-06-16【

热压罐成型工艺是现在普遍应用于先辈复合材料构造、蜂窝夹层构造及复合材料胶接构造的重要成型要领。正在成型历程中,复合材料制件是正在高温高压下取工装一同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,表面尺寸应知足装配和谐要求,不允许自愿装配。但是,工装正在全部成型历程中果蒙受下温热载荷、本身重力及成型辅佐件压力的配合感化而发作变形,工装的变形间接影响到制件固化变形而终究影响到复合材料制件的现实外形和尺寸精度。
针对现在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构造身分对工装温度场匀称性的影响停止了研讨[1-3],并研讨了固化工装变形对复合材料内部剩余应力的影响[4-6]。岳广全等[7] 针对当前运用较多的框架式工装正在工艺历程中的变形停止了研讨。
本文以柱支持情势竖立大型复合材料固化工装模子,正在包管支持情势知足工装静力刚度的条件下,研讨其正在热压罐成型历程中热- 构造耦合感化下的构造变形。 dedecms.com

柱支持情势固化工装

对大型复合材料固化工装,工装模具的型里需求凭据固化成型后的复合材料曲面停止调解,复合材料成型的多样性必将增添工装建造的经济本钱和建造周期。针对此题目,对以柱支持为支持情势的工装,支持局部取工装模具的打仗面积小,工装模具型里改动后,支持柱的消费加工简单易行;另外,工装内部结构简朴,利于热氛围的流畅,能够进步工装和热氛围之间的传热效力。
为轻易后续研讨,对柱支持情势的工装,以构造相对简朴的平板型里工装为例(见图1),剖析工装正在复合材料固化成型历程的变形状况。图1中工装的型里厚度为20mm,模子尺寸为15000mm×5000mm×1000mm,支持柱截面设为正方形,尺寸为100mm×100mm。模具质料为殷钢,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。 本文来自织梦



对工装停止静力剖析,可经由过程调治支持柱数目去掌握工装型里变形量巨细。为了对照静力感化下的变形量和热- 构造耦合感化下的变形量,运用70 个支持柱。对图1中工装停止静力剖析(见图2),工装总变形量为0~0.00635mm,垂直型里偏向变形量为0~0.00627mm ;静力感化下,70个支持柱的工装构造变形量细小,阐明以支持柱为支持情势的工装完整能够知足静力感化下的刚度要求。



成型工装热- 构造耦合剖析

由履历和工艺实验可知工装的变形均正在毫米量级,工装的尺寸正在几米至十几米,工装构造变形不会对热压罐内的气体活动发生显着影响。因为流体盘算对网格要求较下,文中运用专业流体仿真软件FLUENT停止工装及热压罐内全部流场的网格分别,如图3所示。对工装竖立的有限元模子既能够适用于温度场的盘算,也能够用于工装的构造变形盘算。热压罐工艺范例简化如图4所示,温度场盘算所用相干质料参数如表1所示。

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对复合材料固化工装而言,工装型里的变形将间接影响与其打仗的复合材料制件的成型质量,垂直型里偏向的翘直变形将间接影响到大尺寸复合材料成型的曲率精度,以是型里变形场的表征要领应当取型里的变形间接相干。为对成型工装的型里变形量停止表征,所用支持柱如图5所示。



图1所示工装中,其型里存在浩瀚可用于表征型里变形量的位置,为轻易注释题目,以支持柱坐标所对应的型里位置的变形量去表征型里变形。鉴于模子所用支持柱数目较多且考虑到模子构造的对称性,拔取代表性的支持柱坐标:U1V1、U7V1、U14V1、U1V3、U7V3、U14V3、U1V5、U7V5、U14V5、U3V1、U3V3 和U3V5,共12 个坐标位置。对流体仿真正在全部热进程上钩算得到的工装温度场,每隔100s存储一个温度场数据文件;将包罗节点温度值的有限元模子导入有限元分析软件ANSYS,同时施加重力载荷,盘算获得对应时候热-构造耦合感化下工装的构造变形量。
本文来自织梦


盘算效果剖析

复合材料正在热压罐中固化分为3个热进程:升温、恒温和降温,此历程中工装温度场散布的不均匀性致使各部分热应力散布不均匀,工装正在热应力和自重载荷耦合感化下发生变形。热进程中工装变形量最大值散布如图6所示,从图中可得出:
(1)全部热进程中,工装总变形量最大值达4.662mm。
(2)工装沿本身长度偏向变形量最大值为4.596mm,取总变形量最大值较为靠近。
(3)工装沿本身宽度方向和高度偏向的变形量最大值离别为0.805mm 和0.339mm,其变形量相对工装长度偏向变形量较小。



热应力不均匀致使的变形量最大值为静力载荷致使工装变形量的53~734 倍,那阐明正在复合材料固化成型历程中,热应力载荷对工装构造变形起着决定性感化。

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图6反映出工装总变形量最大值随时间的转变,不克不及得出热应力不均匀致使的型面翘曲对型里的影响。对工装型面翘曲的表征从沿工装长度偏向(图5 中U 偏向)和沿工装宽度偏向(图5 中V 偏向)那两个方面去论述:沿工装长度偏向的翘直,接纳V1 上的U1V1、U7V1、U14V1,V3上的U1V3、U7V3、U14V3 和V5上的U1V5、U7V5、U14V5 位置作为监测点;沿工装宽度偏向的翘直,接纳U3上的U3V1、U3V3、U3V5,U7上的U7V1、U7V3、U7V5 和U14 上的U14V1、U14V3、U14V5 位置作为监测点。由图7得知:
(1)沿V3偏向,其中央位置、顶风端及背风端位置因为均遭到加热而使Z背变形量正在热进程升温阶段逐步增大;进入恒温阶段后,中央位置处Z背变形量根基趋于安稳,顶风端和背风端由于取情况热氛围的温差不一致致使升温幅度差别,各自的Z背变形量差别;降温阶段,其变形量趋向根基取升温阶段相反。
(2)沿V1和V5偏向,顶风端位置Z 背变形量正在热进程中先是低于后又高于中央位置和背风端位置的Z背变形量。 copyright dedecms
(3)顶风端位置相对中央位置的Z背变形量先是低于后又高于背风端位置相对中央位置的Z背变形量。那是由于顶风端固然起首取情况氛围相接处,但工装内部的支持柱正在氛围流经工装内部时对其构成扰流感化,使工装内部分氛围活动速度显着大于工装内部,中央位置的支持柱取氛围换热速度增大。
(4)V3偏向,内部支持柱的扰流感化使背风端位置相对中央位置的Z背变形量先急剧增大后趋于安稳,然后敏捷下落;V1和V5偏向,其处于工装核心取工装内部活动氛围间接打仗,背风端位置相对中央位置的Z背变形量正在全部热进程中转变较陡峭。



别的,研讨注解:
(1)沿工装宽度偏向,翘直变形根基处于对称状况。
(2)正在U7方向上,两头位置相对中央位置的Z背变形量正在升温阶段急剧增大,正在恒温阶段到达最大值并迟缓下落,进入降温阶段后急剧减小。
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(3)正在U3和U14方向上,监测位置处的Z背变形量曲线正在热进程中根基保持一致;由于工装宽度偏向尺寸相对较小,正在热进程差别阶段,空气流态正在宽度方向上对温度场差值影响较小。
(4)正在U3和U14方向上,两头位置相对中央位置的Z背变形量正在升温阶段急剧增大,进入恒温阶段后敏捷下落;正在恒温阶段前期泛起迟缓转变,进入降温阶段又敏捷下落。
正在复合材料的热压罐固化历程中,对柱支持情势的固化工装型里,温度不均匀性致使的型面翘曲变形较为庞大。正在工装构造内部,支持柱存在位置所对应型里的部分变形量大于没有支持柱存在的位置,那是由于支持柱对氛围的扰流感化加速了支持柱取四周氛围之间的热通报。图8为3200s时工装温度场及Z背构造变形量散布云图。

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本文以柱支持情势竖立大型复合材料固化工装模子,正在包管工装构造静力刚度的条件下,盘算获得工装正在热压罐固化工艺历程中的温度场散布,然后把重力载荷,施加到带有温度值的有限元模子上停止工装的热- 构造耦合剖析。获得结论以下:
(1)成型工装正在热- 构造耦合感化下,相对重力载荷热应力载荷对工装构造变形起决定性感化。
(2)对工装型里正在垂直型里偏向的变形量,有支持柱存在的位置大于无支持柱存在的位置。(责编 良辰) 
 

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