浅析先进复合材料热压罐成型固化仿真技术研究进展

　　先进树脂基复合材料因具有高比强度、高比模量、可设计性强、耐腐蚀、抗疲劳、易于整体成型等优异的综合性能，广泛应用于航空、航天等领域。热压罐工艺是航空航天飞行器用复合材料的重要制备方法之一。复合材料热压罐成型工艺中热压罐内高温高压气体作用下复合材料和复合材料构件同时成型，工艺过程中复合材料涉及热和压力在多相材料体系即工装、模具、辅助材料、纤维与树脂复合体系等之间复杂的相互作用，当材料类型及复合材料构件形式等改变后，工装、模具、工艺参数等往往需要重新设计优化。传统的试错法研发模式从试样到缩比件到试验件需要经过反复多次试验，研究费用高，复合材料制造质量的可控性差，制件合格率低，制约复合材料研制效率和应用。
　　美国政府和波音公司在2001~2004年共同实施快速插入复合材料(AIM-C)计划，在充分的应用基础研究前提下，建立新材料或已有材料新应用的设计知识库，采用数值模拟技术改进传统积木式验证分析方法，提高验证分析效率，支撑新型树脂基复合材料在飞行器结构上的快速、可靠应用，缩短复合材料应用时间40%~50%，降低成本33%。中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司开展了数字化技术在复合材料构件研制中的应用研究，旨在建立复合材料构件从设计、制造、检测等过程的数字化设计、制造一体化体系，实现复合材料研制过程的仿真和数字量传递，提高研制效率。高效质量可控的树脂基复合材料构件制备的关键在于工艺、工装及模具等方案的优化，在工艺过程物理化学作用机制基础上，建立数值模拟方法，深入分析各种因素对复合材料成型质量影响规律，揭示缺陷形成机制，基于数值模拟技术的复合材料构件虚拟制造可为工装、工艺设计与优化提供依据，为先进复合材料研制模式从传统的试错或积木式验证向数字化制造模式转变提供了有力的技术支撑。
　　复合材料热压罐成型固化仿真技术
　　热压罐成型工艺原理，根据热、压力传递特点，可以归纳为热压罐内压缩气体与固体材料之间的交互作用和纤维与树脂复合体系内的物理化学作用，而纤维与树脂复合体系内部物理化学作用可分为热传导/固化反应行为和树脂流动/纤维密实行为。热压工艺树脂流动/纤维密实过程是树脂流动与纤维多孔介质骨架结构变形的耦合作用，区别于不可压缩多孔介质内渗透流动，一方面树脂流动性受温度和树脂固化反应的影响;另一方面树脂流动与纤维密实影响孔隙、富树脂等缺陷的形成。热化学过程决定着树脂黏度、树脂固化反应程度，影响着树脂流动以及残余应力和固化变形等。而工装模具、辅助材料直接影响热压罐压缩气体作用在纤维与树脂复合体系的热和力。国内外学者针对复合材料热压罐成型固化过程物理化学作用开展了大量研究，旨在建立有效的数值模拟方法，指导新材料、新结构的工艺、工装设计与优化。
　　1热压罐气体与固体材料之间交互作用仿真
　　在复合材料热压罐成型工艺过程中，大型框架式模具的温度分布受到罐内气体热交换、模具本身结构、复合材料固化放热和工艺辅料传热特性等多种因素的影响，工装模具温度均匀性直接影响复合材料构件温度均匀性和固化变形等成型质量，工装模具温度场的预测对于指导大型框架式模具设计具有重要意义，因此，热压罐内模具温度场仿真也已受到学者的广泛关注。目前，大多采用流体计算软件如Fluent、CFX、ACE等，针对热压罐内气体、工装、复合材料构件等材料内部温度分布规律开展数值模拟分析。热压罐有效尺寸均为工业用大型热压罐，如2.5m7m、5.5m13m、4.5m15m，工装以典型的框架式结构为主，复合材料制件形状包括曲面蒙皮、变厚度蒙皮加筋结构。
　　主要原理是基于计算流体力学中连续、运动、能量方程，建立热压罐内强迫对流换热的温度场三维非定常数值模拟方法，模拟热压罐内模具的温度分布，并可以对固化工艺参数、模具结构参数和模具摆放位置等因素进行研究，优化热压罐以及构件内部温度分布情况。根据仿真分析对象不同，可归纳为如下几种情况：
　　(1)在无工装情况下热压罐内气体温度分布仿真。高玉峰等针对热压罐空载温度场进行分析，结果表明测量点的仿真计算温度在实际测量值-4.5~+2.5 的正负偏差之间，仿真数据同现场实测数据非常接近，验证了仿真方法用于判断热压罐设计是否满足要求的有效性，同时，表明在空载情况下热压罐内温度分布较均匀。
　　(2)在仅含工装情况下热压罐内工装温度分布仿真。张旭生等基于Fluent软件，针对一字型、十字形、T型3种不同风道结构对框架式模具温度分布进行模拟，指出T型风道对改善温度场均匀性效果最优，模具型面温差为2.09 。林家冠等利用Fluent软件提供的内部风扇边界条件，模拟框架式模具风道处风扇对模具温度分布的影响，结果表明框架式模具通风口处安装风扇可改善热压罐内流场的均匀性。
　　(3)含有模具和复合材料构件的热压罐内温度分布仿真。而根据仿真模型中复合材料构件材料参数和树脂固化反应的假设不同又分为如下两类：在仿真模型中不考虑树脂固化反应产生的内热源的影响，并将复合材料的热物理参数设定为常数。李彩林基于PAM-AUTOCLAVE软件平台，以平板工具和蒙皮模具为例，分析零件内部温度和固化度分布规律。以大致尺寸为3.2m2.5m1.4m的3种复合材料成型工装为例分析模具温度场，同时，分析了几何模型中风扇端外延伸长度、网格、求解器对计算结果和计算效率的影响。傅承阳在CATIA中进行建模，分析了工装表面的温度分布以及计算和实验数据的偏差。贾云超等基于Fluent软件建立模拟方法分析升温速率、风速、工装材料类型对飞机机翼梁结构最大温差的影响。
　　2纤维与树脂复合体系传热与固化反应行为
　　纤维与树脂复合体系固化成型过程中，材料温度和树脂固化反应直接影响材料内部应力、孔隙缺陷等发展并最终影响复合材料构件成型质量，而其内部温度主要取决于树脂固化反应放热、外部热源以及多相材料之间热量交换，树脂固化反应放热与热传导模型通过固化动力学模型建立联系。以Loos和Springer提出的修正Fourier热传导模型为基础，国内外学者已开展了大量研究工作，其中假设纤维与树脂复合材料体系为多孔介质，基于均匀化理论，采用傅里叶热传导模型和树脂固化反应动力学模型。
　　3纤维与树脂复合体系传质与传压行为
　　复合材料热压成型过程中，在压力作用下纤维与树脂复合体系内树脂发生流动并引起纤维堆积状态的变化即树脂流动/纤维密实，树脂的流动以及树脂承载压力大小直接影响孔隙的形成、生长和迁移，纤维体积分数，富树脂区形成以及构件的最终尺寸等，是决定复合材料成型质量的关键。树脂流动/纤维密实模型用于描述复合体系内树脂渗流的流动状态和历程以及纤维堆积和排列状态的变化。根据理论假设的不同，发展和应用比较成熟的树脂流动/纤维密实模型主要包括Springer波浪式密实模型和Gutowski渐进式密实模型。
　　波浪式密实模型假设垂直纤维轴向符合达西渗流定律，平面内只考虑平行纤维方向的树脂流动并视为管流运动，同时模型没有考虑纤维和树脂所承担载荷的不同，与实际情况不完全相符。Gutowski等将有效应力原理和Boit固结理论用于复合材料热压成型预浸料叠层的固结过程，其中纤维和树脂共同承担外界载荷，将未密实的复合材料视为浸满粘性流体的非线性弹性多孔介质，并认为连续纤维复合材料的密实中包括两个重要过程：
　　(1)多孔介质中树脂的流动;
　　(2)多孔介质的变形。
　　在初始阶段纤维多孔介质骨架尚未发生形变，所施载荷完全由树脂承担，随着树脂的流出，多孔介质被压缩，纤维逐渐靠近直到受压迫变形而产生弹力，此时纤维承担部分载荷，同时树脂承载压力减小。随着多孔介质被继续压缩，纤维承担负荷的比例越来越大，树脂承载压力越来越小直至为零，即渐进式密实模式。针对复合体系厚度方向的流动，Gutowski和Dav采用试验方法对树脂流出质量和层板厚度进行验证并吻合较好。
　　为了揭示树脂基复合材料热压成型过程外加载荷与树脂流动驱动力之间的相互关系，国内学者对铺层内纤维承载及压力分配机制开展了在线监测的试验研究。在测量纤维承力方面，主要采用光纤微弯原理测试增强纤维构成的网络所承担的压力变化，如扎姆阿茹娜、王科等;在树脂承压方面，Smith[28]在纤维层中铺放片状压力传感器对树脂压力进行定性研究，Lynch等利用液体不压缩特性的传递压力作用，研制了一种测量准静态树脂压力的传感器，并对AS4/3501-6等厚层板厚度方向不同位置的树脂压力进行了多点测量。顾轶卓等根据液体传递压强的特性建立一种适用于复合材料热压成型工艺的树脂压力测试系统，可进行多点的实时检测，并以等厚层板为例，采用树脂压力和纤维承压在线测试方法，验证了热压成型过程渐进式密实模式的适用性。
　　结束语
　　在复合材料热压罐成型工艺中热和压力在多相材料体系间复杂的相互作用，使得复合材料构件成型质量控制难度大，制造成本高。在工艺过程物理化学作用机理研究基础上，建立数值模拟方法可有效指导工艺、工装的设计与优化。已有的研究工作往往针对复合材料构件的典型结构单元进行传热、传压数值模拟分析，发展大型复合材料构件的热压罐成型固化全过程、多物理场、多材料体系的高效计算方法，实现从工程应用的CATIA数模向数值模拟用几何模型、材料属性等的传递以及多物理场之间网格数据和场参数的传递与集成，建立基于数据库、知识库的工艺、工装方案快速评价方法，是实现新材料或新复合材料构件高质量快速研制的关键，也是复合材料热压罐成型固化仿真技术的研究方向。