復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件變形分析與工程控制

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件變形分析與工程控制馬軍;胡斌;萬建平淳B鵬亮;龔文;劉影【摘要】針對(duì)復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中常見的變形現(xiàn)象，分析了導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件變形的影響因素，提出了工程實(shí)踐中獲得驗(yàn)證、有效的變形控制解決方案.【期刊名稱】《教練機(jī)》【年(卷)，期】2017(000)004【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P31-36)【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料;構(gòu)件變形;工程控制【作者】馬軍;胡斌;萬建平;郭鵬亮;龔文;劉影【作者單位】航空工業(yè)洪都，江西南昌330024;中國(guó)人民解放軍駐320廠軍事代表室江西南昌330024航空工業(yè)洪都，江西南昌330024航空工業(yè)洪都，江西南昌330024;航空工業(yè)洪都，江西南昌330024;航空工業(yè)洪都，江西南昌330024【正文語(yǔ)種】中文0引言復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、阻尼減震性好及良好的抗疲勞性等一系列優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、建筑、船舶業(yè)等領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料的應(yīng)用已由非承力部件及次承力部件發(fā)展到主承力部件，并向大型化、整體化方面發(fā)展。經(jīng)過多年的摸索，復(fù)合材料零件內(nèi)部的缺陷已得到較好的控制，但由于零部件尺寸的增大，整體化程度的提高，圍繞工程應(yīng)用中出現(xiàn)的復(fù)合材料構(gòu)件變形問題變得越來越突出。國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者借助分析仿真軟件、建立理論模型再修正等方法進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，因復(fù)合材料制造過程復(fù)雜，且受多方面因素影響，如：復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、各向異性鋪層的設(shè)計(jì)、預(yù)浸料的固化動(dòng)力學(xué)、樹脂的機(jī)械性及力學(xué)性能變化、模具形態(tài)、設(shè)備溫場(chǎng)等，現(xiàn)今仍未找到一種切實(shí)可行的控制變形的方法。本文基于大批量工程化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和案例，緊密結(jié)合復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)工程中常見的變形因素進(jìn)行了分析和研究。1典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變形影響因素分析典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)大體分為兩類：一類是單純的層合板結(jié)構(gòu)，由多組鋪層組壓制而成；第二類是組合件，由層合板、夾芯材料、異形梁等獨(dú)自結(jié)構(gòu)體通過膠膜二次膠接而成或者采用共固化技術(shù)一次成型。這兩類結(jié)構(gòu)的變形影響因素既有共性也有差異性。1.1單純層合板結(jié)構(gòu)層合板結(jié)構(gòu)是纖維復(fù)合材料用量體現(xiàn)最多的結(jié)構(gòu)，是由兩層或兩層以上預(yù)浸料鋪疊、固化而成的平板或曲率板。在航空航天領(lǐng)域，此類結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件的蒙皮、梁、肋、墻及筋條等。工程應(yīng)用中復(fù)合材料層合板常會(huì)產(chǎn)生翹（扭）曲（圖1）、回彈（圖2）等變形現(xiàn)象，其影響變形因素主要有以下幾方面。圖1翹（扭）曲變形圖2回彈變形1）鋪層因素復(fù)合材料的最大特點(diǎn)是可設(shè)計(jì)性，設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)承載情況采用不同角度鋪層組進(jìn)行鋪貼，鋪層分為不對(duì)稱鋪層和對(duì)稱鋪層。對(duì)稱鋪層層板因其面內(nèi)應(yīng)力在厚度方向上能夠得到平衡，一般變形情況較少，如有變形，主要源于鋪設(shè)角度和梯層位置的精確性差。某些構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)需要，局部必須加強(qiáng)，通常采取不對(duì)稱鋪層設(shè)計(jì)，如機(jī)翼蒙皮口蓋邊緣的加強(qiáng)層。由于復(fù)合材料鋪層在不同主軸方向，具有不同的熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致材料具有各向異性的熱膨脹特征。隨著縱向和橫向線膨脹系數(shù)的不同，固化后的變形較為明顯，隨著層板尺寸的增加，會(huì)發(fā)生翹（扭）曲等變形現(xiàn)象。2）樹脂體積分布不均由于受結(jié)構(gòu)、溫場(chǎng)、真空孔位置等因素影響，制件內(nèi)部的樹脂含量會(huì)發(fā)生體積分布不均現(xiàn)象。對(duì)于平板零件，當(dāng)厚度方向樹脂發(fā)生不均勻分布時(shí)，樹脂固化中產(chǎn)生的熱效應(yīng)不均勻，富樹脂區(qū)熱能大，熱應(yīng)力大，而低樹脂區(qū)熱量小，熱應(yīng)力小，在外壓卸除后，平板熱應(yīng)力釋方攵則會(huì)產(chǎn)生翹曲變形（如圖3）。圖3體積分布不均勻?qū)е聫?fù)合材料變形對(duì)于曲率零件，除熱效應(yīng)外，設(shè)備外壓作用于零件上，因外壓梯度的存在會(huì)使樹脂流動(dòng)不均勻，造成變曲率區(qū)域樹脂的遞增和減少（如圖4），甚至造成貧脂區(qū)和富脂區(qū)，這種不均勻性會(huì)導(dǎo)致曲率件在脫模后產(chǎn)生回彈變形。圖4曲率層板拐角處厚度變化示意3）熱工藝設(shè)備溫場(chǎng)不均勻目前，復(fù)合材料主要加熱設(shè)備有熱壓罐、固化爐和熱壓床三種。熱壓罐和固化爐固化成型過程中，由于設(shè)備內(nèi)腔較大，風(fēng)為渦流形式運(yùn)轉(zhuǎn)（如圖5）,整個(gè)罐（爐）內(nèi)會(huì)存在溫差，擺放于罐（爐）內(nèi)各段的模具受熱程度有差異，從而使模具型面溫度分布不均勻，最大溫差可達(dá)10°C以上，勢(shì)必會(huì)影響到復(fù)合材料構(gòu)件表面溫度及其固化質(zhì)量，最終導(dǎo)致構(gòu)件變形。熱壓床與模具間為傳導(dǎo)熱形式，受模具高度影響，模具周邊與外界空氣接觸，模體上、下面與加熱平臺(tái)接觸，所在模具橫截面上存在溫度不均勻，致使結(jié)構(gòu)件變形。圖5典型熱壓罐的構(gòu)成示意4）模具與零件材質(zhì)的差異性金屬模具的線膨脹系數(shù)一般遠(yuǎn)大于復(fù)合材料零件。零件由于熱壓罐內(nèi)壓力作用而緊貼模具，模具受熱向外延長(zhǎng)，受摩擦力影響，貼模面纖維承受拉應(yīng)力，由于零件處于固化狀態(tài)，應(yīng)力向上傳遞速度極慢，使厚度方向生成應(yīng)力梯度，隨著固化工藝進(jìn)程的推進(jìn)，樹脂完全固化，沿厚度方向分布不均勻的應(yīng)力殘留在構(gòu)件內(nèi)，而固化結(jié)束后殘余應(yīng)力得到釋放導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生變形（如圖6）。5）固化過程復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷高溫固化成型及冷卻過程后，由于材料的熱脹冷縮效應(yīng)、基體樹脂的化學(xué)收縮效應(yīng)以及復(fù)合材料與成型所用模具材料在熱膨脹系數(shù)上的顯著差異，導(dǎo)致構(gòu)件在固化過程中存在殘余應(yīng)力，脫模后在室溫下的自由形狀與預(yù)期的理想形狀之間會(huì)產(chǎn)生一定程度的不一致，形成固化變形。固化過程中影響變形的工藝參數(shù)主要有溫度、壓力、加壓點(diǎn)、升降溫速率及保溫時(shí)間。1.2復(fù)合材料組合件復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表現(xiàn)形式除層合板之外，還有以復(fù)合材料整體化制造技術(shù)為牽引產(chǎn)生的板筋膠接組合件、板芯膠接組合件及共固化組合件（或共膠接件）等（如圖7）。常見的構(gòu)件有復(fù)合材料舵面、機(jī)翼機(jī)身壁板、盒段及艙段等。這些結(jié)構(gòu)除層合板變形特性外，還存在其他變形影響因素有：組合模具定位結(jié)構(gòu)、二次加溫固化、吸濕及不同材質(zhì)組合固化過程中的熱變形積累。圖7組合件1）組合模具定位結(jié)構(gòu)無論是膠接件還是共固化件，其各組合件間要通過模具進(jìn)行定位或限位，模具的結(jié)構(gòu)形式是控制產(chǎn)品外形的重要手段。目前模具主要以金屬材質(zhì)為主，金屬與復(fù)合材料的熱脹系數(shù)差異會(huì)產(chǎn)生模具受熱延伸，受冷收縮過程中，復(fù)合材料不能夠隨模具同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的拉、壓應(yīng)力，在取模后形成了殘余應(yīng)力。2）二次加溫固化組合件中有膠接件、膠接共固化件。膠接件是將兩個(gè)已固化零件采用膠膜進(jìn)行組合，加溫過程中會(huì)膠膜固化收縮，已固化組件經(jīng)二次加溫的殘余應(yīng)力釋放，這兩種變化造成殘余應(yīng)力的重構(gòu)。膠接共固化件是將一已固化零件和一未固化零件采用膠膜同時(shí)進(jìn)行零件固化和膠接工作，即組件一為已固化，組件二為預(yù)浸料，組件二會(huì)產(chǎn)生固化收縮和反應(yīng)熱造成膠接共固化件的變形。3）吸濕變形復(fù)合材料固化物分子中含有較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，且分子中多為疏水性基團(tuán)或交聯(lián)密度高且結(jié)構(gòu)致密的樹脂，吸濕性能很低，工程上一般不做考慮，而真正體現(xiàn)吸濕變形的部位往往是加工端面暴露在空氣中的纖維。由于不同鋪層形式的復(fù)合材料板其各個(gè)方向的濕脹系數(shù)不同，材料越厚，其內(nèi)部濕度梯度越大，各個(gè)方向會(huì)呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的變形。此外還有蜂窩結(jié)構(gòu)（如圖8），它是復(fù)合材料濕變形中最為典型且吸濕嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)，蜂窩板是經(jīng)過整體浸膠固化，但因蜂窩板往往用在一些曲率件上，一般會(huì)通過機(jī)加數(shù)銑出外形，銑切口處端面缺少了樹脂保護(hù)，纖維外漏受潮，蜂窩外形極易變形。4）不同材質(zhì)組合固化過程中熱變形積累一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，存在多種類纖維層板、泡沫結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、樹脂膠，在組合中需要用到工裝，另還有金屬組合件或一些金屬預(yù)埋件。在一個(gè)固化參數(shù)下，各種結(jié)構(gòu)材料的熱變形情況極為復(fù)雜，所產(chǎn)生的熱變形會(huì)因不同結(jié)構(gòu)而在不同位置，表現(xiàn)為不同變形量，是變形控制中最難控制的形態(tài)。當(dāng)各組件熱變形量不能達(dá)到平衡時(shí)，在取模后會(huì)在結(jié)構(gòu)最薄弱區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力釋放，形成組合件變形，如一些翼型件或主承力結(jié)構(gòu)件較多采用多材質(zhì)組合。圖8紙蜂窩結(jié)構(gòu)2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件變形控制的工程實(shí)用方案通過對(duì)各種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件變形影響因素的分析，在工程應(yīng)用中通過反復(fù)研究和實(shí)踐，形成如下實(shí)用變形控制方法：2.1鋪層控制鋪層控制從兩方面考慮，一是設(shè)計(jì)盡可能按對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于組合件除單個(gè)產(chǎn)品的內(nèi)部鋪層的小對(duì)稱，特別注意組合件以對(duì)稱面構(gòu)成的鋪層大對(duì)稱。二是鋪貼過程中，鋪層梯度位置與其相對(duì)稱層梯度位置偏差量要精確控制。鋪層角度偏差控制在±2°以內(nèi)。條件允許盡可能采用自動(dòng)化設(shè)備，如自動(dòng)下料機(jī)、激光定位儀和自動(dòng)鋪帶機(jī)等設(shè)備代替手工操作。2.2樹脂體積含量控制在樹脂固化階段，樹脂流失或降低方式有垂直向吸取和邊緣向吸取，這兩種吸膠均應(yīng)盡量避免，可采用零吸膠樹脂。在不能避免的情況下必須放置吸膠層，垂直向吸膠層應(yīng)根據(jù)鋪層厚度計(jì)算吸膠層層數(shù)，杜絕邊緣吸膠，可采用橡皮進(jìn)行堵塞。對(duì)于曲率結(jié)構(gòu)件，注意曲角區(qū)的夕卜壓受力均勻，可采用橡膠、金屬板、復(fù)合材料板制成復(fù)合均壓板，鋪設(shè)在零件表面起到外壓的均布作用。2.3環(huán)境控制在復(fù)合材料的生產(chǎn)、成型、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中要嚴(yán)格控制環(huán)境溫度和濕度。對(duì)于高精度產(chǎn)品，在選材方面應(yīng)選擇低吸濕率材料，儲(chǔ)存過程中放于滿足存放條件的環(huán)境。對(duì)于高吸濕性材料，如蜂窩板、泡沫板，必要時(shí)采用真空包裝。2.4模具控制1）模具結(jié)構(gòu)為確保模具在熱場(chǎng)環(huán)境中（如熱壓罐）能夠均勻受熱，模具上各點(diǎn)溫差范圍符合工藝需求，模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。模具可設(shè)計(jì)成通風(fēng)良好的框式結(jié)構(gòu)，如圖9,模具由型面及格柵結(jié)構(gòu)的支撐框格組成，布有通風(fēng)口及均風(fēng)孔，即能滿足剛度要求，又能滿足模具均勻加熱的要求。圖9框架結(jié)構(gòu)模具示意2）模具存放目前采用數(shù)字化加工的模具型面精度均能夠保證在±0.1mm，但因模具自重較大，如存放不當(dāng)，隨時(shí)間模具會(huì)發(fā)生變形現(xiàn)象，從而影響成型零件。通過為細(xì)長(zhǎng)條模具在不使用時(shí)配以固持架進(jìn)行存放，能夠防止因存放不良產(chǎn)生的模具變形。3）模具選材與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)最為接近的模具可選材料目前主要是復(fù)合材料和殷瓦鋼。在工程應(yīng)用中，復(fù)合材料模具較難維護(hù)，用量不是太多，針對(duì)較長(zhǎng)構(gòu)件，尤其是細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，當(dāng)產(chǎn)量較大時(shí)優(yōu)先選殷瓦鋼模具。4）模具回彈角補(bǔ)償設(shè)計(jì)飛行器上有較多的梁、肋結(jié)構(gòu)為帶曲率結(jié)構(gòu)，當(dāng)曲率越大，回彈變形越小，曲率越小，回彈變形越大。針對(duì)這些彎曲結(jié)構(gòu)件，通過在模具上事先設(shè)計(jì)回彈角能夠積極改善回彈變形量（如圖10）。圖10回彈角示意5）模具局部增減材設(shè)計(jì)通過多架次生產(chǎn)后，找出構(gòu)件變形固定區(qū)和變形量，在模具上對(duì)應(yīng)變形區(qū)進(jìn)行變形方向加增材，變形反方向減材的方式，可達(dá)到微量糾偏效果（如圖11）。圖11模具增減材示意6）模具限位或定位控制對(duì)于組合件，各構(gòu)件的熱脹系數(shù)差異導(dǎo)致的變形特別突出，但受結(jié)構(gòu)影響，構(gòu)件必須做限位的情況下，工程上可采取兩種辦法：一種是采用腰形孔進(jìn)行補(bǔ)償定位，即一端圓孔定位，另一端腰形孔定位法，一般在蜂窩膠接時(shí)可全用圓孔定位，在膠接層合板時(shí)采用腰形孔定位。另一種是采用可調(diào)節(jié)間隙墊片限位。內(nèi)部框架組合時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)間隙墊片在理論位置進(jìn)行定位成型，在后期膠接外蒙皮時(shí)取下或調(diào)整墊片，用于釋放零件和工裝的伸縮量差值（見圖12）。圖12腰形孔和間隙墊片限位示意2.5固化參數(shù)控制固化過程是基體材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，這是一個(gè)復(fù)雜的熱、化學(xué)和力學(xué)性能急劇變化的過程，過程中會(huì)發(fā)生樹脂高度交聯(lián)收縮和熱量釋放，其中固化溫度和降溫速率影響變形最大。工程上可采?。?）在接近固化溫度點(diǎn)前進(jìn)行多段恒溫，使零件各部位的溫度接近，控制在±3°C左右。2）在降溫階段，控制降溫速率，使殘余應(yīng)力緩慢釋放，一般降溫速率控制在2C/min以下。3）對(duì)于大型復(fù)雜模具，如果模具內(nèi)部位置與模具外部位置有較大溫度差，可通過不起模，采用室溫時(shí)效，繼續(xù)進(jìn)行模具散熱，直至模具各部位溫度均在40C以下。時(shí)效時(shí)間根據(jù)模具體積核算。2.6組合與裝配控制復(fù)合材料整體化制造過程中，各零件的膠接和裝配過程中都可以采取措施糾正或釋放一些前期產(chǎn)品的已發(fā)生變形量，但方法要依據(jù)具體工藝和變形位置而定，一個(gè)重要的特征是變形位置和變形量工程實(shí)例很固定。以下介紹三個(gè)較為典型的方法。1）在多種材質(zhì)膠接組合過程中，熱應(yīng)力變形總是會(huì)發(fā)生在結(jié)構(gòu)最薄弱處，通過變形分析和工程積累獲得數(shù)據(jù)后，可采取在其周邊區(qū)域增設(shè)松弛槽的方法釋方攵應(yīng)力，轉(zhuǎn)移薄弱點(diǎn)，緩解應(yīng)力集中（圖13）。圖13復(fù)合材料松弛槽示意2）組合膠接過程中，采取拼接形式的零件，應(yīng)考慮采取組合件的長(zhǎng)向有自由度，窄向限位方式進(jìn)行組合。比如可在各組合件配合端面放置1mm-2mm間隙，以緩解熱脹冷縮的應(yīng)力效應(yīng)及組裝過程中的不協(xié)調(diào)（圖14）。圖14組合件間隙示意3）當(dāng)確定變形位置和變形量，工程上還可在后期的機(jī)械連接裝配環(huán)節(jié)糾正組合件姿態(tài)，如通過過定位法在變形方向的反面加墊校正，但應(yīng)注意加墊量的控制。3結(jié)語(yǔ)本文從復(fù)合材料兩類典型結(jié)構(gòu)上分析了復(fù)合材料變形的影響因素。提出了以工程應(yīng)用為背景的解決復(fù)合材料變形問題的諸多變形