长桁类复材零件固化变形数值模拟与验证探析

长桁类复材零件固化变形数值模拟与验证探析

杨尚栋

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

摘要：如今，复合材料已被广泛地应用于各种重要的结构部件。然而，在成形加工过程中，受材料各向异性、树脂基体的化学收缩、模具效应等因素的影响，易产生固化变形，造成加工成本高、组装困难，并直接影响其在构件上的组装效果与服役寿命。针对这一问题，本文采用微观力学模型及树脂收缩理论，构建适用于不同尺寸的U型、V型标准件及不同曲率尺寸的鸭翼长桁梁构件，并对其进行有限元仿真，并对所建模型的精度进行进一步验证。

关键词：长桁类；复合材料；固化变形；数值模拟

目前，国内外学者已从多个方面开展了复合材料固化变形的数值仿真和验证研究。通过实验研究固化工艺曲线、模具材料、构件几何尺寸和铺层方式等因素对固化过程的影响规律，并将模具－构件间的作用力转化为层间剪切力，并将其纳入有限元计算中，实现对固化变形的准确预测。在此基础上，利用板壳单元建立复合材料凝固变形模型，在保证计算精度的前提下，利用计算机对其进行有限元法模拟，并通过计算机对其进行迭代，实现试错，从而改善目前仍以经验为主的常规工艺设计方法，缩短过程测试时间，缩短开发周期，降低生产成本。

1.数学模型

以复合材料的固化变形为研究对象，重点研究其在不同温度下的基本性质以及其在不同温度下的硬化与收缩行为，并借助发展函数，构建其凝固变形仿真计算模型。纤维增强树脂基复合材料的固化成形是一个多因素耦合作用的复杂的物理和化学作用。传统观点一般假设，在此阶段，纤维处于线性状态，然而，由于其会经历粘性流动（液态）粘弹到非晶（非晶态）的转变，其机械性质也会随之改变。将其视为等向性材料，利用“瞬态线性弹性”理论来表征其在固化时的机械性质。在此基础上，将其视为等向性材料，利用“瞬态线性弹性”理论来表征其在固化时的机械性质。通过树脂密度和纤维密度来决定复合材料的密度。

树脂的密度为：0.09α+1.2315(α＜0.45）复合材料的比热是通过碳纤维比热量和树脂比热量来决定的。树脂的比热为：Cm=4.184(0.468+5.975×10-4T-0.14α)（J/(g·℃)）碳纤维的比热为：C=1.390+4.5×10-3T复合材料的比热是通过树脂导热系数与碳纤维导热系数来决定的。树脂的热传导系数为：Km=0.04184[3.85+(0.035T-0.41)α](W/（m·℃）碳纤维的热传导系数为：0.742+9.02×10-4T

2.典型结构验证

采用Abaqus有限元数值模拟方法，分别对具有较高变形精度的V型、U型构件进行二次穿越实验，并以具有较高变形精度的长纵梁构件为研究目标。对其在实际制造中的变形进行了追踪监控，以此来判定文中所建立的模拟模式在工程上的适用性与精度。

2.1V型结构验证

为了检验前面部分所建立的数学模型的精度，对本文所得到的理论成果进行检验。V形标准试样，宽20毫米，厚3毫米，铺筑时间在[-45/90/45/0]3s，用钢模制作。以回弹角度来表征混凝土的硬化过程。在此基础上，利用Abaqus软件对其进行了数值模拟和计算。在计算中引入了位移的限制条件。保证ABCD部分的定位是正确的。采用Fortran语言编写了UMAT计算软件，并在此基础上引进了一种新的材料和一种新型材料的弹性模量计算方法。通过对V形结构的实验研究，证明了所建立的数学模型是正确的。

2.2U型结构验证

通过制作了一个U形构件来检验上述模拟模型。产品的结构尺寸为：长度1000毫米，腹板宽度700毫米，高度545毫米，倒角直径10毫米。试验试样的单臂厚0.125毫米，采用钢模阴模成型，试验件的铺设方式为[45/90/–45/0]8s。U形结构模拟的拟真子程序UMAT建模方法与V形零件的有限元数值模拟方法完全相同，使用C3D8的有限元方法进行有限元分析，将变形约束转化为变型约束，限定U形零件的中心对称表面，使其不发生变形，同时保证零件的对称表面不发生变形，其约束原则与V形零件相同。在试样制作完毕后，利用APIRADIAN型激光跟踪装置测试U型试样的回弹变形，并利用SA软件进行测试，将实测结果与模具上的实验结果相比较，获得试样的真实变形量，并将其用于U形构件的养护变形计算。实测了标志部位的形变，实测数据与仿真计算的数据吻合良好。

3.长桁零件工程应用验证

以一架大型客机长桁梁为例，对该模拟方法在实际中的应用进行了验证。铺层为[45/90/–45/0/–45/90/45/0/45/–45]s，试件材料单层厚度0.125mm。钢制模采用阴模板成型。由于长桁梁类似于U形构件，其边界约束与U形构件相同，因此使用C3D8单元，共76890个。针对长桁构件从前向后逐渐变化的曲线，利用回弹角难以精确表征其变形状态，在加工过程中，其本身包含4个定位孔，并利用其纵向贯穿该定位孔横断面上的开孔间距表征其凝固过程

。利用CATIA软件对其进行测距，利用游标卡尺获得自由曲面，并通过Abaqus软件对曲面上同一点处的位移进行仿真，计算出的位移与实验数据之间的相对偏差为4.4%。在此基础上，根据凝固过程中的变形情况，建立了长桁类构件的模具模型。用该模型对模具进行了成型后的成形过程仿真，将成形后的孔间距与实测孔间距进行了比较，其相对偏差在4%左右。

结束语：

综上所述，将从微观尺度出发，利用有限元分析方法，构建相应的有限元分析模型，并与已有的V形构件实验结果进行比较，验证所建模型的正确性。研究长桁梁构件的凝固变形规律，并对其进行实时监控，将其与长桁梁构件的真实变形进行比较，并与有限元仿真结果进行比较，以验证所建模型的正确性，建立长桁梁构件的模具补偿型面，该数值模拟模型满足工程应用的要求。

参考文献

[1]卢政斌,孙巍,刘路,等.大尺寸复合材料帽形长桁的固化变形补偿研究[J].复合材料科学与工程,2023(05):108-113.

[2]李哲夫,纺织材料与纺织品设计.航空复合材料热模压预成型缺陷形成机理与仿真预测研究[J].东华大学,2023(11):120-124.

[3]孙勇毅,许英杰,唐闻远,等.共固化成型复合材料加筋壁板的固化变形仿真技术研究[J].航空制造技术,2022(04):107-112.