復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法技術

本發明專利技術公開了一種復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法。本發明專利技術的仿真模擬方法包括：建立復合材料的L形構件模型；通過網格劃分建立L形構件的有限元模型；對有限元模型施加溫度載荷ΔT，并計算L形構件的固化變形；對L形構件的有限元模型施加校形載荷；對L形構件的有限元模型模擬應力松弛過程；模擬脫模過程以得到L形構件模型最終的殘余應力和變形狀態。本發明專利技術的復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，能夠預報復合材料的固化變形和其在校形載荷下的應力松弛行為，準確模擬復合材料的熱校形工藝過程，尤其是碳纖維增強樹脂基復合材料的熱校形工藝過程。

A simulation method for thermal setting process of composite components

The invention discloses a method for simulating and correcting the heat shaping process of a composite material component. The simulation method includes the simulation of L shaped member: to establish a model of composite material; through the establishment of finite element mesh of L shaped member model; temperature load applied on a T finite element model, and calculate the curing of L shaped member deformation; shape correction applied load on the finite element model of L shaped member; stress relaxation the process of finite element L - component model simulation; simulation of the demolding process to obtain the residue of L shaped member model final stress and deformation. The simulation method of simulation component thermal composite sizing technology of the invention, capable of curing deformation of composite materials and its sizing under the load of stress relaxation behavior, accurate simulation of thermal composite shape school process, especially the carbon fiber reinforced resin composite material hot sizing process form.

【技術實現步驟摘要】
復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法
本專利技術涉及復合材料構件領域，尤其涉及復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法。
技術介紹
碳纖維增強樹脂基復合材料是以樹脂為基體、碳纖維為增強體，采用先進復合材料的成型加工方法制備的一系列高性能復合材料。復合材料結構在經歷高溫固化及冷卻成型過程后，受熱應力的作用、基體樹脂的化學反應收縮效應，以及復合材料與成型模具的相互作用，復合材料在室溫下的自由形狀與預期的理想形狀之間會產生一定程度的不一致，通常將這種不一致狀態稱為構件的固化變形。固化變形會影響構件的外形精度。我們嘗試通過熱校形工藝對發生固化變形的復合材料零件進行再加工，修正復合材料的形狀，降低廢品率，方便零件裝配。熱校形工藝過程：零件在外力的作用下貼覆到校形模具表面，在高溫下保持載荷一段時間后卸載，修正零件的外形輪廓。影響熱校形效果的因素包括熱校形溫度、熱校形時間和熱校形載荷。不同的校形時間和校形載荷，熱校形后零件形狀不同，因此需要建立一套復合材料熱校形工藝的有限元模擬方法，用模擬替代重復的試錯性實驗。對給定的復合材料結構，給出優化的熱校形工藝參數。縮短熱校形工藝參數確定的周期，節約生產成本。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是為了克服現有技術難以準確模擬復合材料的熱校形工藝過程的缺陷，提出一種復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法。本專利技術是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：本專利技術提供了一種復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，其特點在于，包括以下步驟：步驟一、建立復合材料的L形構件模型，所述L形構件模型包括短腹板和長腹板，輸入復合材料在若干方向上的力學參數和熱膨脹參數；步驟二、采用有限元軟件中的殼單元對所述L形構件模型進行網格劃分，建立L形構件的有限元模型；步驟三、將所述L形構件的有限元模型中的短腹板的三點簡支約束作為邊界條件，對所述有限元模型施加溫度載荷ΔT，通過如下公式計算所述L形構件的固化變形，公式中，aI、aT分別表示復合材料的面內熱膨脹系數、厚度方向熱膨脹系數，ΔT表示材料成型降溫過程中的溫度變化，Δθ表示所述L形構件的角度的變化量，θmoId表示熱校形工藝中所用的成型模具的角度；步驟四、對所述L形構件的有限元模型施加校形載荷，其約束條件為所述短腹板水平橫放，使所述長腹板旋轉預設的旋轉角度；步驟五、對所述L形構件的有限元模型模擬應力松弛過程，所述應力松弛過程近似為面內剪切應力的應力松弛，并且在所述應力松弛過程中，保持所述校形載荷的約束條件不變；步驟六、模擬脫模過程，其中去掉所述校形載荷，恢復約束條件為三點簡支約束，以得到所述L形構件模型最終的殘余應力和變形狀態。較佳地，步驟一中輸入復合材料在所述L形構件的面內方向和厚度方向上的力學參數和熱膨脹參數。較佳地，所述面內方向由面內縱向和面內橫向構成。較佳地，所述力學參數包括彈性模量和剪切模量。較佳地，步驟四中的所述旋轉角度大于3°且小于10°。較佳地，所述復合材料為織物增強熱固性復合材料。較佳地，所述復合材料為碳纖維增強樹脂基復合材料。較佳地，所述有限元軟件為abaqus軟件。較佳地，所述殼單元為S4R單元，即線性縮減積分殼單元。較佳地，步驟五中采用abaqus軟件的子程序UMAT模擬應力松弛過程。在符合本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本專利技術各較佳實例。本專利技術的積極進步效果在于：本專利技術的復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，能夠預報復合材料的固化變形和其在校形載荷下的應力松弛行為，準確模擬復合材料的熱校形工藝過程，尤其是碳纖維增強樹脂基復合材料的熱校形工藝過程。附圖說明圖1為本專利技術一較佳實施例的仿真模擬方法中建立的L形構件模型的示意圖。圖2為本專利技術一較佳實施例中對圖1中的L形構件模型進行網格劃分后得到的有限元模型的示意圖。圖3為本專利技術一較佳實施例中的L形構件在熱校形前的形狀示意圖。圖4為本專利技術一較佳實施例中的L形構件在熱校形后的形狀示意圖。具體實施方式下面結合說明書附圖，進一步對本專利技術的優選實施例進行詳細描述，以下的描述為示例性的，并非對本專利技術的限制，任何的其他類似情形也都落入本專利技術的保護范圍之中。在以下的具體描述中，方向性的術語，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，參考附圖中描述的方向使用。本專利技術的實施例的部件可被置于多種不同的方向，方向性的術語是用于示例的目的而非限制性的。參考圖1所示，本專利技術一較佳實施例的復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，包括以下步驟：步驟一、建立復合材料的L形構件模型，所述L形構件模型包括短腹板和長腹板，輸入復合材料在若干方向上的力學參數和熱膨脹參數；步驟二、采用有限元軟件中的殼單元對所述L形構件模型進行網格劃分，建立L形構件的有限元模型；步驟三、將所述L形構件的有限元模型中的短腹板的三點簡支約束作為邊界條件，對所述有限元模型施加溫度載荷ΔT，通過如下公式計算所述L形構件的固化變形，公式中，aI、aT分別表示復合材料的面內熱膨脹系數、厚度方向熱膨脹系數，ΔT表示材料成型降溫過程中的溫度變化，Δθ表示所述L形構件的角度的變化量，θmold表示熱校形工藝中所用的成型模具的角度，其中，熱校形前復合材料的L形構件的形狀，可參考圖3所示；步驟四、對所述L形構件的有限元模型施加校形載荷，其約束條件為所述短腹板水平橫放，使所述長腹板旋轉預設的一旋轉角度；步驟五、對所述L形構件的有限元模型模擬應力松弛過程，所述應力松弛過程近似為面內剪切應力的應力松弛，并且在所述應力松弛過程中，保持所述校形載荷的約束條件不變；步驟六、模擬脫模過程，其中去掉所述校形載荷，恢復約束條件為三點簡支約束，以得到所述L形構件模型最終的殘余應力和變形狀態，其中，熱校形前復合材料的L形構件的形狀可參考圖4所述。在如圖3、4中示出的這一例子中，L形構件在熱校形前后，其長腹板和短腹板間的夾角可由圖3所示的88.9°變為圖4所示的89.8°。具體來說，本實施例中，選取T300碳纖維織物增強環氧樹脂基復合材料的L形構件作為研究對象，在abaqus環境下建立如圖1所示的L形構件模型，其由短腹板、長腹板、拐角三部分組成。對圖1所示的L形構件模型，采用S4R單元進行網格劃分，建立起有限元分析模型，如圖2所示。容易理解的是，盡管本專利技術針對L形構件進行說明，但容易將本專利技術推廣到形狀結構更復雜的構件中。在本專利技術的仿真模擬方法中，為了簡化模擬過程，本專利技術的建模建立在以下假設的基礎上。即，復合材料中為連續纖維且纖維在樹脂中均勻分布，在模擬固化變形時可以認為復合材料近似是彈性的。本實施例中，輸入的復合材料在不同方向上的力學參數和熱膨脹參數，如下表1所示。表1密度(g/cm3)1.154面內縱向模量EX(Pa)6.0E+10面內橫向模量EY(Pa)6.0E+10泊松比PRXY0.042剪切模量GXY(Pa)3.36E+9剪切模量GXZ(Pa)3.47E+9軸向熱膨脹系數ALPX(T-1)1.67E-06面內橫向熱膨脹系數ALPY(T-1)1.67E-06法向熱膨脹系數ALPZ(T-1)79.66E-6在網格劃分建立L形構件的有限元模型后，計算復合材料的固化變形及殘余應力分布情況。在如上計算了構件的固化變形后，進行應力松弛的模擬，具體如下。首先對L形構件本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、建立復合材料的L形構件模型，所述L形構件模型包括短腹板和長腹板，輸入復合材料在若干方向上的力學參數和熱膨脹參數；步驟二、采用有限元軟件中的殼單元對所述L形構件模型進行網格劃分，建立L形構件的有限元模型；步驟三、將所述L形構件的有限元模型中的短腹板的三點簡支約束作為邊界條件，對所述有限元模型施加溫度載荷ΔT，通過如下公式計算所述L形構件的固化變形，

【技術特征摘要】
1.一種復合材料構件熱校形工藝的仿真模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、建立復合材料的L形構件模型，所述L形構件模型包括短腹板和長腹板，輸入復合材料在若干方向上的力學參數和熱膨脹參數；步驟二、采用有限元軟件中的殼單元對所述L形構件模型進行網格劃分，建立L形構件的有限元模型；步驟三、將所述L形構件的有限元模型中的短腹板的三點簡支約束作為邊界條件，對所述有限元模型施加溫度載荷ΔT，通過如下公式計算所述L形構件的固化變形，公式中，aI、aT分別表示復合材料的面內熱膨脹系數、厚度方向熱膨脹系數，ΔT表示材料成型降溫過程中的溫度變化，Δθ表示所述L形構件的角度的變化量，θmold表示熱校形工藝中所用的成型模具的角度；步驟四、對所述L形構件的有限元模型施加校形載荷，其約束條件為所述短腹板水平橫放，使所述長腹板旋轉預設的一旋轉角度；步驟五、對所述L形構件的有限元模型模擬應力松弛過程，所述應力松弛過程近似為面內剪切應力的應力松弛，并且...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賈麗杰，劉凱，晏冬秀，魏冉，葉金蕊，劉衛平，張博明，
申請(專利權)人：中國商用飛機有限責任公司，上海飛機制造有限公司，
類型：發明
國別省市：上海,31