專利名稱：樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型中的工藝窗口優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于樹脂基復(fù)合材料的熱壓成型工藝，具體地說，是指一種適 用于樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型過程中的工藝窗口的優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
工藝窗口是指滿足目標(biāo)要求條件下工藝參數(shù)的控制范圍，工藝窗口越寬表明材料 體系的工藝性越好，則實(shí)際工藝中越容易實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。在2004年9月出版的《聚合物基復(fù)合材料手冊(cè)》的第233頁中公開了一種復(fù)合材 料熱壓罐成型工藝圖8-62。從該圖中可以看出溫度-時(shí)間之間存在的關(guān)系(或稱溫度制 度)、以及壓力_時(shí)間之間存在的關(guān)系(或稱壓力制度)。目前在實(shí)際生產(chǎn)中更多的是靠經(jīng)驗(yàn)和大量試驗(yàn)來制定工藝參數(shù)，即試錯(cuò)法，這種 方法優(yōu)選出的工藝參數(shù)的適用性很差，即使原材料不變而只改變制件的幾何結(jié)構(gòu)，也要重 新摸索新的工藝規(guī)范，這無疑導(dǎo)致了研制周期長(zhǎng)、廢品率高以及可靠性低等問題。另一種是 將專家系統(tǒng)和傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，通過設(shè)置在固化體系內(nèi)的傳感器實(shí)時(shí)采集溫度、壓 力等被加工材料的信息并反饋給計(jì)算機(jī)內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，所述實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是根據(jù)一定 的原則對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而對(duì)成型過程進(jìn)行有效控制，即在線固化監(jiān)控方法。該 方法在一定程度上消除了經(jīng)驗(yàn)法的盲目性，提高了制件質(zhì)量穩(wěn)定性，但是傳感器一般會(huì)留 在制件內(nèi)部從而影響其性能，而且許多傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備的價(jià)格昂貴，使得這種方法難以 迅速推廣。此外，專家系統(tǒng)在線監(jiān)控的質(zhì)量取決于其原則的完善程度，而對(duì)于復(fù)雜的情況， 制定合理的原則是十分困難的。在實(shí)際應(yīng)用中，飛行器復(fù)合材料種類繁多，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，曲率層板是一種典型結(jié) 構(gòu)形式，即由平板段和弧形段的兩段結(jié)構(gòu)組成，參見圖1所示的三維結(jié)構(gòu)示意圖。曲率層 板與等厚層板不同，由于弧形段存在，厚度方向不同位置的弧長(zhǎng)不同，在外力作用下除了厚 度方向的變形，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生剪切變形，且不同位置處層板的變形程度不同，樹脂承載壓力不 同，樹脂發(fā)生二維流動(dòng)，即厚度方向和面內(nèi)方向的流動(dòng)；同時(shí)由于復(fù)合材料的各向異性，在 成型過程中樹脂流動(dòng)和層板變形非常復(fù)雜，容易產(chǎn)生各種缺陷，如孔隙、富樹脂、架橋等，這 些導(dǎo)致適用于等厚層板的工藝窗口不再滿足曲率層板的制備要求，在脫離生產(chǎn)線的條件 下，建立工藝窗口優(yōu)化方法，評(píng)價(jià)材料工藝性，對(duì)于降低制造成本、提高產(chǎn)品合格率，以及帶 曲率結(jié)構(gòu)熱壓成型工業(yè)化作業(yè)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型中的工藝窗口優(yōu)化 方法，該方法是以曲率層板的初始工藝參量F7為輸入信息源，借助成型工藝參數(shù)設(shè)置單元 2、材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3和缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元4中提供的相關(guān)處理關(guān)系，然后結(jié)合制件 構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1和工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元6提出的要求，最后在熱壓成型模擬單元5中處理，從而獲得滿足曲率層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1要
求的更加優(yōu)化的工藝窗口，該更加優(yōu)化的工藝窗口應(yīng)用到樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓成型 工業(yè)化作業(yè)中，能夠提高制件的合格率。制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1輸出的制件初始設(shè)置參量F1包括有模具類型、吸膠方 式、預(yù)浸料鋪層層數(shù)、模具弧形部位弧度、貼模面弧形半徑、橫向等厚層板長(zhǎng)度、縱向等厚層 板長(zhǎng)度；成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2輸出的成型工藝參量F2包括有環(huán)境相對(duì)濕度、初始溫 度、升溫速率、溫度_時(shí)間關(guān)系、外加正壓力、加壓時(shí)機(jī)；材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3輸出的材料參量F3包括有樹脂種類、纖維種類、織物類型、 預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)以及預(yù)浸料初始單層厚度；所述樹脂種類是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、 氰酸酯樹脂、雙馬樹脂等；所述纖維種類是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等；所 述織物類型是單向預(yù)浸料、單向織物、平紋織物、斜紋織物、緞紋織物等；缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元4輸出的缺陷特性參量F4包括有熱壓成型工藝產(chǎn)生的孔隙、 分層、富樹脂、貧膠等各種制造缺陷；熱壓成型模擬單元5首先根據(jù)制件初始設(shè)置參量F1、成型工藝參量F2、材料參量F3
和缺陷特性參量F4進(jìn)行熱壓成型工藝過程模擬，獲得質(zhì)量參量
然后
依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)，
對(duì)平均纖維體積分?jǐn)?shù)^y、目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù) 和目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差δγ,進(jìn)行
比較，獲得適應(yīng)度參量；然后依據(jù)孔隙缺陷產(chǎn)生概率
對(duì)樹脂壓力Pr
和阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力Pv進(jìn)行比較，獲得孔隙缺陷產(chǎn)生概率；最后依據(jù)適應(yīng)度參 量和孔隙缺陷產(chǎn)生概率對(duì)初始工藝窗口參量F7進(jìn)行優(yōu)化處理，獲得優(yōu)化后的工藝窗口 ；
工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元6是用于提供優(yōu)化目標(biāo)參量F6給熱壓成型模擬單元 5 ；在熱壓成型模擬單元5中會(huì)依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)參量&進(jìn)一步對(duì)初始工藝窗口設(shè)置單元(7)給
出的初始工藝參量F7進(jìn)行優(yōu)化，從而體現(xiàn)出曲率層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙缺陷
產(chǎn)生概率P1W較佳工藝窗口 ；
初始工藝窗口設(shè)置單元7輸出的初始工藝參量F7包括有外加壓力、第一平臺(tái)溫度 Tl的下限溫度Tlmin = 70 130°C、第一平臺(tái)溫度Tl的上限溫度Tlmax = 100 160°C、施 加壓力PC的最小值PCmin彡0. IMPa和施加壓力PC的最大值PCmax彡0. 6MPa。本發(fā)明對(duì)曲率層板的工藝窗口進(jìn)行優(yōu)化方法具有如下優(yōu)點(diǎn)①以初始工藝窗口 7中的工藝參量F7為基礎(chǔ)，利用優(yōu)化機(jī)制自動(dòng)調(diào)整成型工藝參 數(shù)(外加壓力、加壓時(shí)機(jī))進(jìn)行曲率層板的加工模擬，剔除孔隙率含量較高、平均纖維體積 分?jǐn)?shù)不滿足目標(biāo)要求的工藝條件，模擬得到的優(yōu)化后工藝窗口能夠以數(shù)據(jù)文件和圖示形式 提供給參考者使用或者用于熱壓成型工業(yè)化作業(yè)中。②本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)曲率層板工藝窗口的優(yōu)化，具有操作簡(jiǎn)單，模擬 效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。③采用本發(fā)明得到的優(yōu)化工藝窗口，可以制備得到滿足平均纖維體積分?jǐn)?shù)、孔隙 率含量較低要求的曲率層板。④本發(fā)明中樹脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬方法與缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，可以評(píng)價(jià) 缺陷產(chǎn)生概率，并對(duì)熱壓成型過程中出現(xiàn)缺陷時(shí)進(jìn)行報(bào)警。


圖1為曲率層板二維平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明熱壓成型樹脂基復(fù)合材料曲率層板工藝窗口優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 框圖。圖3為對(duì)曲率層板的網(wǎng)格剖分設(shè)置界面。圖4為本發(fā)明成型工藝參數(shù)設(shè)置單元的界面。圖4A為現(xiàn)有熱壓罐成型工藝中溫度、壓力和時(shí)間三者的關(guān)系圖。圖5為本發(fā)明初始工藝窗口設(shè)置的界面。圖6為本發(fā)明優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置的界面。圖7為碳纖維/環(huán)氧樹脂曲率層板的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖7A為碳纖維/環(huán)氧樹脂曲率層板的網(wǎng)絡(luò)剖分示意圖。圖7B為碳纖維/環(huán)氧樹脂曲率層板的計(jì)算機(jī)界面。圖7C為碳纖維/環(huán)氧樹脂曲率層板優(yōu)化后的工藝窗口。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬樹脂基復(fù)合材料曲率層板的熱壓成型過程， 是以曲率層板的初始工藝參量F7為輸入信息源，借助成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2、材料特性 數(shù)據(jù)庫(kù)單元3和缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元4中提供的相關(guān)處理關(guān)系，然后結(jié)合制件構(gòu)形與網(wǎng)格 剖分單元1和工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元6提出的要求，最后在熱壓成型模擬單元5中處
理，從而獲得滿足曲率層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1要求的更加優(yōu)
化的工藝窗口，該更加優(yōu)化的工藝窗口應(yīng)用到樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓成型工業(yè)化作業(yè) 中，能夠提高制件的合格率。
參見圖2所示，本發(fā)明的一種適用于樹脂基復(fù)合曲率層板、在熱壓罐成型中的工 藝窗口優(yōu)化方法，該工藝窗口優(yōu)化過程中包括有制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1、成型工藝參數(shù) 設(shè)置單元2、材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3、缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元4、熱壓成型模擬單元5、工藝參數(shù) 優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元6和初始工藝窗口設(shè)置單元7。在本發(fā)明中，制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1輸出的制件初始設(shè)置參量F1包括有模 具類型、吸膠方式、預(yù)浸料鋪層層數(shù)、模具弧形部位弧度、貼模面弧形半徑、橫向等厚層板長(zhǎng) 度、縱向等厚層板長(zhǎng)度，這些參量可以通過界面(參見圖3所示)方式進(jìn)行模擬過程的所需 參數(shù)錄入，也可以通過數(shù)據(jù)文件讀取。在本發(fā)明中，成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2輸出的成型工藝參量F2包括有環(huán)境相對(duì)濕 度、初始溫度、升溫速率、溫度-時(shí)間關(guān)系、外加正壓力、加壓時(shí)機(jī)，這些參量可以通過界面 (參見圖4所示)方式進(jìn)行參數(shù)錄入，也可以通過數(shù)學(xué)模型解析獲得后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，等 待運(yùn)用時(shí)提取相應(yīng)的文件即可。在2004年9月出版的《聚合物基復(fù)合材料手冊(cè)》的第233 頁中公開了一種復(fù)合材料熱壓罐成型工藝圖8-62 (即圖4A所示)，在保溫30 60min段的 溫度稱為第一平臺(tái)溫度Tl，保溫120士 IOmin段的溫度稱為第二平臺(tái)溫度T2，從圖中可以看 出，溫度_時(shí)間和壓力_時(shí)間之間的關(guān)系。由于本發(fā)明是要對(duì)曲率層板的初始工藝參量F7 進(jìn)行優(yōu)化，因此設(shè)置的溫度會(huì)有不同。在本發(fā)明中，材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3輸出的材料參量F3包括有樹脂種類、纖維種 類、織物類型、預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)以及預(yù)浸料初始單層厚度；所述樹脂種類是環(huán)氧樹 脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂、雙馬樹脂等；所述纖維種類是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄 武巖纖維等；所述織物類型是單向預(yù)浸料、單向織物、平紋織物、斜紋織物、緞紋織物等；樹 脂種類、纖維種類、織物形式不同，其導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度取值及其與溫度的函數(shù)關(guān)系不 同，采用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)量；樹脂種類的不同，其粘度模型以及模型中涉 及參數(shù)的取值不同，可以采用流變儀測(cè)試得到；纖維種類、織物類型、鋪層方式影響纖維層 滲透率、纖維層的壓縮特性，采用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)量；材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)包 含了所述與樹脂種類相關(guān)的粘度模型中的參數(shù)，所述與纖維種類、織物類型、鋪層方式相關(guān) 的滲透率、壓縮特性模型中的參數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等參數(shù)是北京航空航天大學(xué) 材料學(xué)院經(jīng)多年對(duì)樹脂基復(fù)合材料體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、測(cè)試、測(cè)量獲得的，具有準(zhǔn)確性、可 靠性，曾被北京市聚合物基復(fù)合材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室用作工藝分析數(shù)據(jù)源之一。在本發(fā)明中，缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元4輸出的缺陷特性參量F4包括有熱壓成型工藝 產(chǎn)生的孔隙、分層、富樹脂、貧膠等各種制造缺陷，本發(fā)明為了對(duì)成型中的工藝窗口(曲率 層板的初始工藝參量F7)進(jìn)行優(yōu)化，僅針對(duì)孔隙缺陷進(jìn)行分析，而孔隙是復(fù)合材料成型過程 中形成的空洞，一般用孔隙率表征。所述孔隙率是指纖維層間樹脂中存在的、微觀小孔的體 積占復(fù)合材料總體積的比例，用百分?jǐn)?shù)表示，是復(fù)合材料的主要缺陷之一。參見圖5所示，在本發(fā)明中，初始工藝窗口設(shè)置單元7輸出的初始工藝參量F7包 括有外加壓力、第一平臺(tái)溫度Tl的下限溫度Tlmin(設(shè)置為70 130°C )、第一平臺(tái)溫度Tl 的上限溫度Tlmax (設(shè)置為100 160°C)、施加壓力PC的最小值PCmin(小于等于0. IMPa)和 施加壓力PC的最大值PCmax (大于等于0.6MPa)；數(shù)學(xué)表達(dá)方式為初始工藝參量F7 = (Tlfflin, Tlmax，PCmin，PCfflaJ。在本發(fā)明中，Tlmin和Tlmax是依據(jù)材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3的材料參量F3 進(jìn)行選取；PCmin和PCmax是依據(jù)航空航天結(jié)構(gòu)用熱固性樹脂基復(fù)合材料成型工藝壓力基本要求而定。 在本發(fā)明中，工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元6是用于提供優(yōu)化目標(biāo)參量F6給熱壓成 型模擬單元5 ；在熱壓成型模擬單元5中會(huì)依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)參量F6進(jìn)一步對(duì)初始工藝窗口設(shè)
置單元7給出的初始工藝參量F7進(jìn)行優(yōu)化，從而體現(xiàn)出曲率層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù) 和孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1的較佳工藝窗口。參見圖6所示，工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元6中
的優(yōu)化目標(biāo)參量F6包括有目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù) 、目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差
和孔隙缺陷產(chǎn)生概率Pp目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)、目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)
準(zhǔn)差ΔΓ,是依據(jù)航空航天結(jié)構(gòu)用熱固性樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用中對(duì)纖維體積含量基本要求
而定，孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1表征孔隙產(chǎn)生的可能性，概率為0時(shí)，表示孔隙率低于等于1 %， 概率為1時(shí)，表示孔隙率高于1%，本發(fā)明中對(duì)孔隙缺陷產(chǎn)生概率的定義滿足了結(jié)構(gòu)復(fù)合材 料應(yīng)用要求。優(yōu)化后的工藝窗口是在初始工藝窗口基礎(chǔ)上，通過在熱壓成型模擬單元5中 處理，獲得的滿足優(yōu)化目標(biāo)參量F6要求的優(yōu)化后工藝窗口，優(yōu)化后的工藝窗口在初始工藝 窗口的基礎(chǔ)上增加了對(duì)外加壓力以及加壓時(shí)機(jī)取值范圍的規(guī)定。 在熱壓成型過程中孔隙產(chǎn)生原因主要是纖維鋪層內(nèi)的夾雜空氣未排除徹底或樹 脂中含有的溶劑、水氣等揮發(fā)分沒有完全溶解于樹脂中，以氣泡的形式存在并隨著樹脂的 固化而最終固定下來，孔隙缺陷形成與溫度、樹脂壓力有關(guān)，本發(fā)明中采用阻止氣泡生長(zhǎng)的 樹脂最小壓力&作為孔隙缺陷特性表征參量，通過與熱壓成型模擬單元5獲得的質(zhì)量參量 F5中樹脂壓力Pr比較，獲得孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1,并將其作為工藝窗口優(yōu)化的依據(jù)之一。
所述質(zhì)量參量F5包括樹脂壓力h和平均纖維體積分?jǐn)?shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)方式為質(zhì)量參量 在本發(fā)明中，熱壓成型模擬單元5首先根據(jù)制件初始設(shè)置參 量F1、成型工藝參量F2、材料參量F3和缺陷特性參量F4進(jìn)行熱壓成型工
藝過程模擬，獲得質(zhì)量參量彳尸，V
J r
；然后依據(jù)適應(yīng)度函數(shù)
AV對(duì)平均纖維體積分?jǐn)?shù)目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)廠g和目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較，獲得適應(yīng) 度參量；然后依據(jù)孔隙缺陷產(chǎn)生概率
對(duì)樹脂壓力P和阻止氣泡生長(zhǎng) 的樹脂最小壓力P進(jìn)行比較，獲得孔隙缺陷產(chǎn)生概率；最后依據(jù)適應(yīng)度參量和孔隙缺陷產(chǎn) 生概率對(duì)初始工藝窗口參量F7進(jìn)行優(yōu)化處理，獲得優(yōu)化后的工藝窗口。在本發(fā)明中，公知計(jì)算機(jī)的最低要求為CPU PIV 1.8G以上，內(nèi)存512M以上，硬盤 40G以上。借用計(jì)算機(jī)所固有的運(yùn)算特性，熱壓成型樹脂基復(fù)合材料制件中孔隙成因分析方 法操作方便、分析結(jié)果可靠。運(yùn)用該方法指導(dǎo)樹脂基復(fù)合材料熱壓成型工業(yè)化作業(yè)，降低制 造成本和提高產(chǎn)品合格率。在本發(fā)明中，樹脂基復(fù)合材料曲率層板熱壓成型工藝窗口的實(shí)施步驟有第一步在所述制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1中提取制件初始設(shè)置參量F1 ；在本發(fā) 明中，根據(jù)制件初始設(shè)置參量F1中曲率層板初始尺寸，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)曲率層板進(jìn)行三 維構(gòu)形，并對(duì)建立獲得的三維層板圖形進(jìn)行網(wǎng)格剖分處理，獲得帶有節(jié)點(diǎn)的層板模型(參 見圖3所示)，并將所述節(jié)點(diǎn)層板模型保存為一個(gè)文本格式文件(* .TXT)；所述文本格式 文件可以方便以后模擬所需參數(shù)的提取。第二步在所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2中提取成型工藝參量F2 ；第三步在所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3中提取材料參量F3 ；第四步在所述缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元4中提取缺陷特性參量F4 ；第五步在所述工藝優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元6中提取工藝優(yōu)化的目標(biāo)參量F6 ；第六步在所述初始工藝窗口單元7中提取出初始工藝窗口 F7 = ITlmin，Tlmax，
pr Pf ). 1 ^min， 1 v^maxJ ，第七步首先設(shè)定Tl = Tlmin，Pc = Pcmin，對(duì)加壓時(shí)機(jī)t。jia進(jìn)行優(yōu)化；第八步在所述熱壓成型模擬單元5中將初始設(shè)置參量F1、成型工藝參量F2、材料 參量F3在樹脂流動(dòng)與層板變形關(guān)系式W1中處理，解析得到制件內(nèi)樹脂壓力&和制件平均
纖維體積分?jǐn)?shù)；然后將平均纖維體積分?jǐn)?shù)代入適應(yīng)度函數(shù)Fi中解析得到適應(yīng)度參
量；然后將制件內(nèi)樹脂壓力Pr與缺陷特性參量F4中的阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力Pv比 較，獲得孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1 ；在本發(fā)明中，獲得的適應(yīng)度參量和孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1的大 小能夠用來評(píng)價(jià)熱壓成型過程，曲率層板當(dāng)前所設(shè)工藝參數(shù)的合理性。第九步采用優(yōu)化工藝窗口條件Ftl對(duì)第八步進(jìn)行重復(fù)迭代處理，并將拾取結(jié)果 (優(yōu)化后的曲率層板工藝窗口)存儲(chǔ)在熱壓成型模擬單元5中。在本發(fā)明中，所獲得的結(jié)果 可以輸出至熱壓罐中進(jìn)行實(shí)際的制作曲率層板用；也可以作為樹脂基復(fù)合材料加工過程的 分析用。在本發(fā)明中所述樹脂流動(dòng)與層板變形關(guān)系式W1為
10
式中，χ表示在局部坐標(biāo)系中沿鋪層0°方向，ζ表示在局部坐標(biāo)系中垂直厚度方 向，σχχ表示局部坐標(biāo)系下χ方向應(yīng)力，τ χζ表示局部坐標(biāo)系下剪切應(yīng)力，已表示樹脂承載 壓力，ε ν表示體應(yīng)變，Sxx表示局部坐標(biāo)系下χ方向滲透率，Szz表示局部坐標(biāo)系下ζ方向滲 透率，μ表示樹脂粘度，t表示模擬時(shí)間。式(1)中應(yīng)力與應(yīng)變滿足關(guān)系式W2為 式中，σχχ表示局部坐標(biāo)系下χ方向應(yīng)力，τ χζ表示局部坐標(biāo)系下剪切應(yīng)力，εχχ 表示局部坐標(biāo)系下X方向應(yīng)變，σζζ表示局部坐標(biāo)系下ζ方向應(yīng)力，ε ζζ表示局部坐標(biāo)系下 ζ方向應(yīng)變，Y χζ表示局部坐標(biāo)系下剪切應(yīng)變，Gxz表示材料剪切模量，E表示纖維的彎曲模 量，β表示纖維層壓縮特性系數(shù)，Vtl表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，Vf表示纖維體積分?jǐn)?shù)， Va表示密實(shí)堆積纖維體積分?jǐn)?shù)。式(2)中應(yīng)變與位移滿足關(guān)系式W3為



式中，ε xx表示局部坐標(biāo)系下x方向應(yīng)變，ε zz表示局部坐標(biāo)系下ζ方向應(yīng)變，Yxz 表示局部坐標(biāo)系下剪切應(yīng)變，U表示局部坐標(biāo)系下X方向位移，V表示局部坐標(biāo)系下Z方向 位移。本發(fā)明中曲率層板不同位置處纖維體積分?jǐn)?shù)、與局部坐標(biāo)系下ζ方向應(yīng)變?chǔ)?22的 關(guān)系為 式中，Vtl表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，ε ζζ表示局部坐標(biāo)系下ζ方向應(yīng)變；通過 式(4)解析得到曲率層板不同位置處纖維體積分?jǐn)?shù)Vf。 本發(fā)明曲率層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù)與纖維體積分?jǐn)?shù)Vf關(guān)系為
式中，N表示預(yù)浸料鋪層層數(shù)，i表示第i纖維層，「Jr表示第i纖維層纖維體積分
數(shù)，表示平均纖維體積分?jǐn)?shù)；通過式(8)得到層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)P/"。 在本發(fā)明中所述阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力
f 48Q2、a
(及+3·41χ1(Γ4Γ-0.10,式中τ表示在有效
工藝時(shí)間內(nèi)的熱壓成型溫度；(RH)tl為熱壓成型前樹脂吸水量達(dá)到平衡時(shí)的相對(duì)濕度。
在本發(fā) 明中所 述適應(yīng) 度函數(shù)
維體積分?jǐn)?shù)，表示目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差. 在本發(fā)明中所述優(yōu)化工藝窗口條件%
加壓力增加步數(shù)，取值為整數(shù)，范圍為0
t -t c3 cl
Pc -Pc
wmaxmin
ο.ι
；m表示加壓時(shí)機(jī)增加步數(shù)，取值
為整數(shù)，范圍為O-
60
；tc3表示第三段工藝時(shí)間的結(jié)束時(shí)間；t。i表示第二段工藝時(shí)
間的開始時(shí)間；表示加壓時(shí)刻(又稱加壓時(shí)機(jī))，以工藝時(shí)間的零點(diǎn)為基準(zhǔn)。參見圖4A所示，橫坐標(biāo)是指工藝時(shí)間(單位min)，0 U表示第一段工藝時(shí)間，U t。2表示第二段 工藝時(shí)間，t。2 t。3表示第三段工藝時(shí)間；左邊縱坐標(biāo)是指在有效工藝時(shí)間內(nèi)的熱壓成型溫 度；右邊縱坐標(biāo)是指在有效工藝時(shí)間內(nèi)熱壓成型壓力(由壓力表讀取)。所述優(yōu)化工藝窗口條件Ftl的實(shí)施步驟為第一步=Tl= Tlmin，令 k = 0，m = 0，則有 Pc = Pcmin，tcJia = tcl ；第二步根據(jù)Tl，Pc, tcJia的取值，在熱壓成型模擬單元5中解析得到制件內(nèi)樹脂
壓力&和制件平均纖維體積分?jǐn)?shù)Γ,；然后將平均纖維體積分?jǐn)?shù)代入適應(yīng)度函數(shù)Fi中
解析得到適應(yīng)度參量；然后將制件內(nèi)樹脂壓力&與阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力Pv比較， 獲得孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1;第三步如果P1 = 1，則不對(duì)加壓時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，令k = k+Ι，增大施加壓力Pc，重
復(fù)第二步；第四步如果P1 = 0，適應(yīng)度參量< 0，則不再對(duì)加壓時(shí)機(jī)t。@進(jìn)行優(yōu)化；第五步如果P1 = 0，適應(yīng)度參量> 0，則重復(fù)第二步，從t。jia = tcl開始對(duì)加壓時(shí) 機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，記錄并保存滿足P1 = 0且適應(yīng)度參量=0的加壓時(shí)機(jī)t。jia ；第六步重復(fù)第二、三、四、五步，直到Pc = Pcmax，記錄并保存滿足適應(yīng)度參量=0 且？工=0的施加壓力以及相應(yīng)的加壓時(shí)機(jī)；第七步令Tl = Tl，重復(fù)第二、三、四、五、六步，記錄并保存滿足適應(yīng)度參量=0 且& = 0的施加壓力以及相應(yīng)的加壓時(shí)機(jī)。實(shí)施例1 單向鋪30層的碳纖維/環(huán)氧樹脂曲率層板實(shí)施例1表示的鋪層結(jié)構(gòu)參見圖7所示，在從下至上順序排放有A層纖維101、A 層預(yù)浸料101、B層預(yù)浸料102……N層預(yù)浸料130，吸膠紙31。這是一種常見的“預(yù)浸料鋪 層層數(shù)”的鋪層體系，預(yù)浸料是指用于制造復(fù)合材料的浸漬了環(huán)氧樹脂的碳纖維的一種中 間材料，是一種市售商品。第一步在所述制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元1中拾取制件初始設(shè)置參量F1,所述制 件初始設(shè)置參量F1中模具類型為陰模，吸膠方式為單面吸膠，預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)為 55%,預(yù)浸料鋪層層數(shù)30層，層板初始厚度Iitl為4. 3mm，陰模成型，模具弧形部位弧度90°， 貼模面弧形半徑為4mm，橫向和縱向等厚層板長(zhǎng)度均為25mm。在Patran軟件中創(chuàng)建出層板 剖面圖形(參見圖1所示)，然后對(duì)所述三維層板圖形進(jìn)行30 X 100網(wǎng)格剖分處理(參見圖 7A所示)，獲得帶有節(jié)點(diǎn)的層板模型(顯示屏上會(huì)有彩色三維圖片顯示)，并將所述節(jié)點(diǎn)層 板模型保存為一個(gè)文本格式文件，即CurveL. TXT ；第二步在所述成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2中提取工藝參量F2，溫度_時(shí)間關(guān)系為 以1. 5°C /min的升溫速率從室溫25°C升到130°C，在130°C下恒溫20min后以1. 5°C /min 的升溫速率從130°C升到180°C并恒溫1小時(shí)，然后自然冷卻。根據(jù)溫度_時(shí)間關(guān)系在計(jì)算 機(jī)上通過解析生成時(shí)間和溫度數(shù)據(jù)，將其保存在temperatedata. txt文件中，外加正壓力Pa 為0. 3MPa，真空度為0. IMPa，加壓時(shí)機(jī)為4600s。在計(jì)算機(jī)可視化界面(參見圖4所示)設(shè) 置模擬總時(shí)間為1200s、時(shí)間步長(zhǎng)At = IOs0第三步在所述材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元3中提取材料參量F3，樹脂種類環(huán)氧樹脂， 纖維種類碳纖維，織物類型單向預(yù)浸料，鋪層方式單向鋪層，纖維沿0°方向鋪放。根據(jù)所述材料參量，可以從材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出計(jì)算所需的與纖維和樹脂相關(guān)參量包括粘 度模型、滲透率模型、壓縮模型中的參數(shù)。第四步在所述缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元4中提取缺陷特性參 量F4,所述缺陷特性參量F4為阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力Pv，即
,熱壓成型前樹脂吸
水量達(dá)到平衡時(shí)的相對(duì)濕度(RH)tl為50% ；熱壓成型溫度T由成型工藝參數(shù)設(shè)置單元2提 取的工藝參量F2中溫度與時(shí)間關(guān)系曲線得到。第五步在所述工藝優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元6中提取工藝優(yōu)化的目標(biāo)參量F6 ；目標(biāo)平 均纖維體積分?jǐn)?shù) 為63 %，目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為5 %，孔隙缺陷產(chǎn)生 概率P1SO15第六步在所述初始工藝窗口單元7中提取出初始工藝窗口 F7 = ITlmin，Tlmax， Pcfflin, PcfflaxI，Tlfflin 為 120°c, Tlfflax 為 130°c, Pcfflin 為 0. IMPa, Pcfflax 為 0. 6MPa。第七步首先設(shè)定Tl = 1200C, Pc = 0. IMPa,對(duì)加壓時(shí)機(jī)t。jia進(jìn)行優(yōu)化；第八步在所述樹脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元5中將初始設(shè)置參量F1、成型 工藝參量F2、材料參量F3在樹脂流動(dòng)與層板變形關(guān)系式W1中處理，解析得到制件內(nèi)樹脂壓
力已、纖維體積分?jǐn)?shù)Vf以及制件平均纖維體積分?jǐn)?shù)；然后將平均纖維體積分?jǐn)?shù)代入
適應(yīng)度函數(shù)Fi中解析得到適應(yīng)度參量；然后將制件內(nèi)樹脂壓力&與缺陷特性參量F4中的 阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力Pv比較，獲得孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1 ；第九步拾取優(yōu)化算法函數(shù)Ftl，并重復(fù)第八步，直到適應(yīng)度參量和孔隙缺陷產(chǎn)生 概率P1同時(shí)滿足停止規(guī)則，計(jì)算結(jié)束，將結(jié)果輸出至熱壓罐或存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)(模擬時(shí)的界 面如圖7B)中；解析獲得單向鋪30層的碳纖維/環(huán)氧樹脂曲率層板優(yōu)化后工藝窗口，參見
圖7C，圖中a點(diǎn)、b點(diǎn)表示在一定的溫度和壓力條件下，滿足目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)廠^
63士5%，孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1為0的加壓時(shí)機(jī)取值下限和上限。同時(shí)，在優(yōu)化后的工藝窗口中選擇工藝條件，即第一平臺(tái)溫度為130°C，施加壓力 為0. 5MPa，加壓時(shí)機(jī)為3800s，制備了單向鋪30層的碳纖維/環(huán)氧樹脂曲率層板，制得層板 平均纖維含量為64%，孔隙率為0. 8%，滿足了優(yōu)化目標(biāo)要求。本發(fā)明是一種適用于樹脂基復(fù)合材料曲率層板，在熱壓成型過程中的工藝窗口優(yōu) 化方法，該方法以樹脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元、工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元為基礎(chǔ)， 結(jié)合缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元，給出曲率層板熱壓成型工藝窗口，在優(yōu)化的工藝窗口內(nèi)可以制 備出滿足層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)和缺陷產(chǎn)生概率要求的曲率層板，在熱壓成型過程中出現(xiàn) 缺陷時(shí)進(jìn)行報(bào)警，指導(dǎo)樹脂基復(fù)合材料曲率層板熱壓成型工業(yè)化作業(yè)，提高產(chǎn)品合格率。
權(quán)利要求
一種樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型中的工藝窗口優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬樹脂基復(fù)合材料曲率層板的熱壓成型過程，是以曲率層板的初始工藝參量F7為輸入信息源，借助成型工藝參數(shù)設(shè)置單元(2)、材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元(3)和缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元(4)中提供的相關(guān)處理關(guān)系，然后結(jié)合制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元(1)和工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元(6)提出的要求，最后在熱壓成型模擬單元(5)中處理，從而獲得滿足曲率層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù) 和孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1要求的更加優(yōu)化的工藝窗口，其特征在于制件構(gòu)形與網(wǎng)格剖分單元(1)輸出的制件初始設(shè)置參量F1包括有模具類型、吸膠方式、預(yù)浸料鋪層層數(shù)、模具弧形部位弧度、貼模面弧形半徑、橫向等厚層板長(zhǎng)度、縱向等厚層板長(zhǎng)度；成型工藝參數(shù)設(shè)置單元(2)輸出的成型工藝參量F2包括有環(huán)境相對(duì)濕度、初始溫度、升溫速率、溫度 時(shí)間關(guān)系、外加正壓力、加壓時(shí)機(jī)；材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元(3)輸出的材料參量F3包括有樹脂種類、纖維種類、織物類型、預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)以及預(yù)浸料初始單層厚度；所述樹脂種類是環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂、雙馬樹脂等；所述纖維種類是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等；所述織物類型是單向預(yù)浸料、單向織物、平紋織物、斜紋織物、緞紋織物等；缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元(4)輸出的缺陷特性參量F4包括有熱壓成型工藝產(chǎn)生的孔隙、分層、富樹脂、貧膠等各種制造缺陷；熱壓成型模擬單元(5)首先根據(jù)制件初始設(shè)置參量F1、成型工藝參量F2、材料參量F3和缺陷特性參量F4進(jìn)行熱壓成型工藝過程模擬，獲得質(zhì)量參量 然后依據(jù)適應(yīng)度函數(shù) 對(duì)平均纖維體積分?jǐn)?shù) 目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù) 和目標(biāo)平均纖維體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差 進(jìn)行比 較，獲得適應(yīng)度參量；然后依據(jù)孔隙缺陷產(chǎn)生概率 對(duì)樹脂壓力Pr和阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力Pv進(jìn)行比較，獲得孔隙缺陷產(chǎn)生概率；最后依據(jù)適應(yīng)度參量和孔隙缺陷產(chǎn)生概率對(duì)初始工藝窗口參量F7進(jìn)行優(yōu)化處理，獲得優(yōu)化后的工藝窗口；工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元(6)是用于提供優(yōu)化目標(biāo)參量F6給熱壓成型模擬單元(5)；在熱壓成型模擬單元(5)中會(huì)依據(jù)優(yōu)化目標(biāo)參量F6進(jìn)一步對(duì)初始工藝窗口設(shè)置單元(7)給出的初始工藝參量F7進(jìn)行優(yōu)化，從而體現(xiàn)出曲率層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù) 和孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1的較佳工藝窗口；初始工藝窗口設(shè)置單元(7)輸出的初始工藝參量F7包括有外加壓力、第一平臺(tái)溫度T1的下限溫度T1min＝70～130℃、第一平臺(tái)溫度T1的上限溫度T1max＝100～160℃、施加壓力PC的最小值PCmin≤0.1MPa和施加壓力PC的最大值PCmax≥0.6MPa。dest_path_FSB00000259292100011.tif,dest_path_FSB00000259292100012.tif,dest_path_FSB00000259292100013.tif,dest_path_FSB00000259292100014.tif,dest_path_FSB00000259292100015.tif,dest_path_FSB00000259292100016.tif,dest_path_FSB00000259292100021.tif,dest_path_FSB00000259292100022.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型中的工藝窗口優(yōu)化方法， 其特征在于曲率層板不同位置處纖維體積分?jǐn)?shù)Vf與局部坐標(biāo)系下ζ方向應(yīng)變?chǔ)?ζζ的關(guān)系為 ,V0表示預(yù)浸料初始纖維體積分?jǐn)?shù)，ε ζζ表示局部坐標(biāo)系下ζ方向應(yīng)變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型中的工藝窗口優(yōu) 化方法，其特征在于曲率層板的平均纖維體積分?jǐn)?shù)？與纖維體積分?jǐn)?shù)、關(guān)系為 N表示預(yù)浸料鋪層層數(shù)，i表示第i纖維層，表示第i纖維層纖維體積 表示平均纖維體積分?jǐn)?shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型 中的工藝窗口優(yōu)化方法，其特征在于阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力 ,式中τ表示在有效工藝時(shí)間內(nèi)的熱壓成型溫度；(RH)tl為熱壓成型前樹脂吸水量達(dá)到平衡時(shí)的相對(duì)濕度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型中的工藝窗口優(yōu)化方法，其特征在于優(yōu)化工藝窗口條件 中，k表示施加壓力增加 min 步數(shù)，取值為整數(shù)，范圍為 ；m表示加壓時(shí)機(jī)增加步數(shù)，取值為整數(shù)，范圍為 表示第三段工藝時(shí)間的結(jié)束時(shí)間；t。i表示第二段工藝時(shí)間的開始時(shí)間；表示加壓時(shí)刻，以工藝時(shí)間的零點(diǎn)為基準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的樹脂基復(fù)合曲率層板在熱壓罐成型中的工藝窗口優(yōu)化方 法，其特征在于優(yōu)化工藝窗口條件Ftl的實(shí)施步驟為第一步T1 = Tlmin，令 k = 0，m = 0，則有 Pc = Pcmin，tcjia = tcl ；第二步根據(jù)Tl，Pc, tCJia的取值，在熱壓成型模擬單元5中解析得到制件內(nèi)樹脂壓力已和制件平均纖維體積分?jǐn)?shù)Γ,；然后將平均纖維體積分?jǐn)?shù)代入適應(yīng)度函數(shù)Fi中解析得到適應(yīng)度參量；然后將制件內(nèi)樹脂壓力&與阻止氣泡生長(zhǎng)的樹脂最小壓力Pv比較，獲 得孔隙缺陷產(chǎn)生概率P1;第三步如果P1 = 1，則不對(duì)加壓時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，令k = k+Ι，增大施加壓力Pc，重復(fù)第一止——少；第四步如果P1 = 0，適應(yīng)度參量< 0，則不再對(duì)加壓時(shí)機(jī)t。M進(jìn)行優(yōu)化； 第五步如果P1 = 0，適應(yīng)度參量> 0，則重復(fù)第二步，從t。@ = tcl開始對(duì)加壓時(shí)機(jī)進(jìn) 行優(yōu)化，記錄并保存滿足P1 = 0且適應(yīng)度參量=0的加壓時(shí)機(jī)t。jia ；第六步重復(fù)第二、三、四、五步，直到PC = Pcmax，記錄并保存滿足適應(yīng)度參量=0且卩1 =0的施加壓力以及相應(yīng)的加壓時(shí)機(jī)；第七步令Tl = Tlmax，重復(fù)第二、三、四、五、六步，記錄并保存滿足適應(yīng)度參量=0且 P1 = ο的施加壓力以及相應(yīng)的加壓時(shí)機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于樹脂基復(fù)合材料曲率層板在熱壓成型過程中的工藝窗口優(yōu)化方法，該方法以樹脂基復(fù)合材料熱壓成型模擬單元、工藝參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單元為基礎(chǔ)，結(jié)合缺陷特性數(shù)據(jù)庫(kù)單元，給出曲率層板熱壓成型工藝窗口，在優(yōu)化的工藝窗口內(nèi)可以制備出滿足層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)和缺陷產(chǎn)生概率要求的曲率層板，在熱壓成型過程中出現(xiàn)缺陷時(shí)進(jìn)行報(bào)警，指導(dǎo)樹脂基復(fù)合材料曲率層板熱壓成型工業(yè)化作業(yè)，提高產(chǎn)品合格率。
文檔編號(hào)B29C51/46GK101920558SQ20101019427
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者張佐光, 李敏, 李艷霞, 顧軼卓 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)