一种基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法。

背景技术

由于复合材料有较高的比强度、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强等优点，被广泛应用于航空航天领域。

热压罐固化成型工艺是复合材料构件的主要成型工艺，由于受复合材料与模具的热膨胀系数不一致、树脂的化学收缩变形、模具与零件之间的相互作用等原因的影响，固化过程中复材构件会产生内应力，复材零件脱模后应力释放从而产生回弹变形，变形对零件的型面质量及零件之间的匹配关系产生极其不利的影响。

目前，主要通过两种方法来减小或抵消固化变形：一是对热压罐固化成型工艺方法进行优化，例如通过优化升温与降温速率、调整铺层角度等以减小变形量；另一种方法是通过对模具型面设置回弹角进行修正。但这两种方法都建立在大量实验的基础上，通过对工艺参数及模具尺寸反复修正来减小固化变形，耗费了大量人力物力。

随着有限元技术及电脑计算能力的发展，基于有限元方法对复材构件进行热压罐成型仿真预测，根据预测结果对工装型面进行补偿，可以代替多次迭代实验，可达到减小固化变形的效果。研究显示，针对固化变形最有效的方法就是对成型工装型面补偿，例如，中国专利文献CN113221398B公开一种L型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法，通过在图形处理软件中构建模型型面，并对模型的特征结构变量进行赋值，特征结构变量包含R区曲率半径、R区开口角度、层板厚度和两侧平板区长度，然后将模型型面导入有限元处理软件，并进行网格划分、边界约束和材料铺层设置；然后在有限元处理软件中根据预先设定的固化变形子程序进行固化过程模拟计算；再对有限元计算的结果采用相同标准进行回弹角的测量计算；最后将回弹角的测量结果与几何结构变形进行对应，实现任意几何结构参数下的固化变形回弹角预测模型。

然而，实际工程中复合材料构件的型面非常复杂，通过回弹角来修正型面，依赖经验设定回弹值设计容易带来的误差，且修正过程非常繁琐，研发周期长；并且零件固化后，通常还需要进行施力检测，以进一步验证型面精度是否满足设计要求，无法保证复合材料零件质量。

因此，如何进一步提高复合材料制件的制造精度，缩短研发周期，并减少或不使用施力检测，达到保证复合材料零件质量达到设计要求的目的，仍是亟待解决的问题。

发明内容

针对上述提出的技术问题及为了达到上述的目的，本发明提供一种基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，通过对制备复合材料构件的碳纤维环氧树脂预浸料复材构件型面的固化变形规律进行预测，通过节点变形补偿算法对工装型面进行补偿。具体技术方案如下：

一种基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，通过建立复合材料制件及其成型工装的几何模型，并通过对该复合材料制件及其成型工装的材料特征赋值，进行有限元仿真计算，根据有限元计算结果通过节点位移法对所述复合材料制件型面节点进行补偿设计，直接计算出补偿后的模具几何型面，从而实现对复材型面的精准补偿设计。

前述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，包括如下步骤：

步骤一、建立三维模型

在三维软件中建立复合材料制件的三维模型，并提取其成型面，根据所述成型面设计其成型工装，形成成型工装三维模型；

步骤二、建立有限元模型

将三维软件建立的复合材料制件三维模型及其成型工装三维模型均导入有限元软件，定义接触面的相互作用关系组装成有限元模型，以备进行固化分析；

步骤三、固化仿真

根据该复合材料制件和其成型工装的材料特性对限元模型结构进行赋值，并设定固化温度场及边界条件，根据固化工艺对复合材料制件进行固化仿真；

步骤四、型面补偿计算

根据有限元软件对复合材料制件固化仿真计算结果，获得复合材料制件脱模回弹型面节点；将回弹后的成型面节点导出，并将回弹面与理论型面进行对比，通过将节点反向补偿形成成型工装的补偿型面；

步骤五、验证补偿结果

根据型面补偿计算结果制造复合材料制件的成型工装，并进行铺贴材料采用热压罐对复合材料制件固化成型，通过对制备的复合材料制件型面检测验证补偿计算结果并优化补偿系数。

前述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，建立三维模型所用的软件为CATIA。

前述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，三维模型导入有限元软件前还存在前处理步骤，即采用软件将建立的复合材料制件及其成型工装的三维模型进行网格划分，然后再导入有限元分析软件。

前述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，对复合材料制件及其成型工装的三维模型进行网格划分的软件优选为Hypermesh；所述有限元分析软件优选为PAM-COMPOSITES。

前述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，所述复合材料制件为C截面框类制件时，其制备材料赋值为T800/环氧树脂预浸料，其成型工装材质赋值为Q235钢；设定的固化温度场及边界条件为：热压罐保压压力为0.6MPa，保压时间150min，保温温度180℃，升温、降温速率2℃/min。

前述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，所述将节点反向补偿行成补偿成型面，具体算法如下：

设：

P

A

C

P

P

C

则：复合材料构件的节点n的初始状态为P

定义复合材料构件任一节点的逆向补偿算法如下：

逆向补偿方向是沿节点所在的曲面在该节点的法向方向，与变形方向相反；补偿步长为：

||C

初始变形的补偿步长为：

||P

其中，B

如果补偿后的变形仿真值仍大于复材构件的精度要求，则需要根据节点组C

在第二次变形仿真结束后，节点n的变形向量为C

||P

从而可以获得节点n相对与参考基准点的逆向补偿量为；

P

依次类推，在k次补偿后，节点n的变形向量为C

记复合材料构件内的节点集合为P＝(P

该变形补偿结束的条件是，在第k次补偿后，节点变形量集合X中的所有节点满足下列不等式：

x

前述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，所述对制备的复合材料制件型面检测为采用三坐标检测设备进行。

本发明具备的有益效果如下：

较现有技术而言，本发明通过建立三维几何模型，并通过材料特征赋值，进行有限元计算，通过节点位移法对型面进行补偿，最终对零件进行优化设计，对复杂型面的回弹补偿非常方便可行。

本发明补偿方式采用逆向迭代优化的方法，通过节点位移的逆向补偿行成优化成型面，为成型工装的优化设计提供依据。

另外，本发明能够实现不同工艺不同结构的型面节点位移补偿，在模拟和实验中均能获得精确的优化设计，减少过去依赖经验设定回弹值设计带来的误差，可以直接获得补偿后的成型模具型面，为固化变形控制提供方法，具有良好的实用价值。

附图说明

图1为本发明于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法流程图；

图2为本发明C截面框类复合材料制件结构截面图；

图3为本发明C截面框类复合材料制件模型在有限元分析结果型面变形示意图；

图4为本发明C截面框类复合材料制件型面节点补偿原理示意图；

图5为本发明C截面框类复合材料制件型面节点补偿结果示意图

图6为本发明C截面框类复合材料制件补偿后型面变形示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明较佳实施例，而不是全部的实施例，亦并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用所揭示的技术内容加以变更或改型等同变化。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

实施例1

本实施例是一种基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，如图1所示，通过建立复合材料制件及其成型工装的几何模型，并通过对该复合材料制件及其成型工装的材料特征赋值，进行有限元仿真计算，根据有限元计算结果通过节点位移法对所述复合材料制件型面节点进行补偿设计，直接计算出补偿后的模具几何型面，从而实现对复材型面的精准补偿设计。该方法，具体包括如下步骤：

步骤一、建立三维模型

在三维软件中建立复合材料制件的三维模型，并提取其成型面，根据所述成型面设计其成型工装，形成成型工装三维模型；建立三维模型所用的软件为CATIA，优选为CATIAV5R18。

步骤二、建立有限元模型

将三维软件建立的复合材料制件三维模型及其成型工装三维模型均导入有限元软件；导入有限元软件前还存在前采用软件将建立的复合材料制件及其成型工装的三维模型进行网格划分，然后将初始的几何网格导入有限元分析软件，定义接触面的相互作用关系组装成有限元模型，以备进行固化分析。对复合材料制件及其成型工装的三维模型进行网格划分的软件优选为Hypermesh；所述有限元分析软件优选为PAM-COMPOSITES，当然其他的一些实施例中，还可以采用其他模拟软件，只要能够实现相同的功能即可，设定参数进行固化成型模拟即可。

步骤三、固化仿真

根据该复合材料制件和其成型工装的材料特性对限元模型结构进行赋值，并设定固化温度场及边界条件，根据固化工艺对复合材料制件进行固化仿真；在设定参数进行固化模拟时，可以根据具体固化工艺要求对参数进行相应的调整，以满足模拟要求。

步骤四、型面补偿计算

根据有限元软件对复合材料制件固化仿真计算结果，获得复合材料制件脱模回弹型面节点；将回弹后的成型面节点导出，并将回弹面与理论型面进行对比，通过将节点反向补偿形成成型工装的补偿型面。所述将节点反向补偿行成补偿成型面，具体算法如下：

设：

P

A

C

P

P

C

则：复合材料构件的节点n的初始状态为P

定义复合材料构件任一节点的逆向补偿算法如下：

逆向补偿方向是沿节点所在的曲面在该节点的法向方向，与变形方向相反；补偿步长为：

||C

初始变形的补偿步长为：

||P

其中，B

如果补偿后的变形仿真值仍大于复材构件的精度要求，则需要根据节点组C

在第二次变形仿真结束后，节点n的变形向量为C

||P

从而可以获得节点n相对与参考基准点的逆向补偿量为；

P

依次类推，在k次补偿后，节点n的变形向量为C

记复合材料构件内的节点集合为P＝(P

该变形补偿结束的条件是，在第k次补偿后，节点变形量集合X中的所有节点满足下列不等式：

x

步骤五、验证补偿结果

根据型面补偿计算结果制造复合材料制件的成型工装，并进行铺贴材料采用热压罐对复合材料制件固化成型，通过采用三坐标检测设备对制备的复合材料制件型面检测验证补偿计算结果，若在零件自由状态下满足型面公差要求，则计算结果准确；若验证结果不准确，，分析超差方向与趋势，根据超差值调整补偿系数，再次补偿设计。

前述的基于有限优化补偿系数。元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，所述复合材料制件为C截面框类制件时，其制备材料赋值为T800/环氧树脂预浸料，其成型工装材质赋值为Q235钢；设定的固化温度场及边界条件为：热压罐保压压力为0.6MPa，保压时间150min，保温温度180℃，升温、降温速率2℃/min。

实施例2

本实施例为采用实施例1所述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，对大型飞机C截面框类复合材料制件进行固化变形补偿设计。该构件截面如图2所示，结构为不规则圆弧形，型面结构较为特殊，通过回弹角来修正型面，容易产生误差，且需要修正的回弹角较多，过程非常繁琐，研发周期长，且成型后影响后续装配效率与质量。

本实施例中采用实施例1所述的基于有限元仿真的复合材料制件固化变形补偿设计方法，采用CATIA三维软件建立该C截面框类复合材料制件的三维模型，并提取其成型面，设计其成型工装；然后导入有限元分析软件进行计算分析及补偿涉及。具体如下：

步骤一、建立三维模型

在CATIA维软件中建立C截面框类复合材料制件的三维模型，提取其成型面，设计其成型工装。

步骤二、建立有限元模型

将C截面框类复合材料制件的三维模型及其成型工装三维模型采用限元前处理软件Hypermesh进行网格划分，将初始的几何网格导入导入PAM-COMPOSITES有限元软件；以备进行固化分析。

步骤三、固化仿真

将该C截面框类复合材料制件预浸料赋值为T800/环氧树脂预浸料，其成型工装材质赋值为Q235钢；设定固化温度场及边界条件为：热压罐保压压力为0.6MPa，保压时间150min，保温温度180℃，升温、降温速率2℃/min，进行固化仿真，获得其型面变形，如图3所示。

步骤四、型面补偿计算

通过有限元软件计算该C截面框类复合材料制件脱模回弹型面节点，将回弹后的成型面节点导出，并将回弹面与理论型面进行对比，通过将节点反向补偿形成成型工装的补偿型面。所述将节点反向补偿行成补偿成型面，如图4所示，具体算法如下：

设：

P

A

C

P

P

C

则由图4可知：C截面框类复合材料制件的节点n的初始状态为P

定义该C截面框类复合材料制件任一节点的逆向补偿算法如下：

逆向补偿方向是沿节点所在的曲面在该节点的法向方向，与变形方向相反；补偿步长为：

||C

初始变形的补偿步长为：

||P

其中，B

如果补偿后的变形仿真值仍大于C截面框类复合材料制件的精度要求，则需要根据节点组C

在第二次变形仿真结束后，节点n的变形向量为C

||P

从而可以获得节点n相对与参考基准点的逆向补偿量为；

P

依次类推，在k次补偿后，节点n的变形向量为C

记复合材料构件内的节点集合为P＝(P

该变形补偿结束的条件是，在第k次补偿后，节点变形量集合X中的所有节点满足下列不等式：

x

补偿结果如图5和图6所示。

步骤五、验证补偿结果

根据型面补偿计算结果制造该C截面框类复合材料制件的成型工装，并进行铺贴材料采用热压罐对固化成型C截面框类复合材料制件，采用三坐标检测设备对制备的C截面框类复合材料制件型面进行检测，在零件自由状态下满足型面公差要求，验证结果准确。

本发明通过建立三维几何模型，并通过材料特征赋值，进行有限元计算，通过节点位移法对型面进行补偿，最终对零件进行优化设计，对复杂型面的回弹补偿非常方便可行。且本发明补偿方式采用逆向迭代优化的方法，通过节点位移的逆向补偿行成优化成型面，为成型工装的优化设计提供依据。

另外，本发明能够实现不同工艺不同结构的型面节点位移补偿，在模拟和实验中均能获得精确的优化设计，减少过去依赖经验设定回弹值设计带来的误差，可以直接获得补偿后的成型模具型面，为固化变形控制提供方法，具有良好的实用价值。。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。