[发明专利]复合材料制件热压罐成形工装型面精确设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料制件热压罐成形工装型面精确设计方法，属于复合材料制件热压罐成形工装设计技术领域。

背景技术

热压罐成形工装是先进复合材料制件成形的基础，它起到传递温度和压力、定位和保证型面尺寸精度的作用。在工装设计中需要重点考虑的是工装型面设计，这对复合材料制件成形精度和质量起着不可忽视的作用。

复合材料制件在经历高温固化及冷却过程后，由于材料的热胀冷缩效应和基体树脂的化学反应收缩效应等复杂影响因素，其型面与理论型面之间会产生一定程度的不一致。复合材料制件这种变形对制件型面的精度和制件之间的连接匹配产生极为不利的影响。为了克服以上问题，传统的设计方法是直接提取常温下制件的型面，在设计经验和工艺经验的基础上对制件的固化工艺规范和制件固化所用工装的型面进行反复的调整和补偿性修正加工，以控制变形程度或抵消变形的影响作用。在制造易发生变形，同时又具有严格型面精度要求的复合材料制件时，典型工作程序为：

步骤1：根据制件的设计型面拷贝生成工装模板型面；

步骤2：利用上步所制造的工装制造工艺试验件；

步骤3：根据工艺试验件的变形量修正工装模板型面；

步骤4：利用上步修正后的工装再次制造工艺试验件；

步骤5：重复步骤3，4，直至满足要求。

采用直接提取零件型面进行工装设计的方法，成形的复合材料制件的尺寸精度低，制件型面精度得不到保证；为提高工装成形制件的精度，需经历反复试错修模，研制成本高，周期长。

发明内容

本发明为复合材料制件热压罐成形工装模板型面精确设计方法。该方法解决了传统设计由制件室温型面直接拷贝生成工装模板型面，然后根据回弹反复修模的问题，降低了研制成本，提高了设计效率和质量。

本发明的设计方案：

第一步：热固性树脂从力学性能及物理状态分析，在固化过程中要经历四种状态：未凝胶的玻璃态、粘流态、高弹态及凝胶后的玻璃态；在高弹态前，复合材料制件由液态到高弹态，复合材料制件和工装型面完全贴合，复合材料制件型面随工装型面而变，两者之间无应力；随着固化过程进行，达到应力临界点时，工装型面决定制件型面，应力临界点后，复合材料制件主要发生物理上的热胀冷缩。

设室温下制件型面为S，临界温度下制件型面S′，制件热膨胀系数由α_I和α_T组成，其中α_I平面的热膨胀系数，α_T厚度方向上的热膨胀系数；对于薄壁类复合材料制件，只考虑平面内的热膨胀。室温下工装型面为G，应力临界点温度下工装型面G′。对于复合材料工装，热膨胀系数由α_1I和α_1T组成，对于金属工装，热膨胀系数为α₁。由已知制件固化工艺曲线，确定应力临界点温度。

第二步：由室温下制件型面S离散成多个点，利用点的位移公式和制件的热膨胀系数，计算应力临界点温度下制件型面S′；

第三步：应力临界点温度下工装型面G′与制件型面相同，即S′＝G′；

第四步：根据应力临界点温度下工装型面为G′及工装材料的热膨胀系数，计算室温下工装型面G。

本发明首次提出复合材料制件在热压罐成形过程中，固化温度下，存在一个工装和制件型面之间开始产生应力的临界点。应力临界点时，工装型面与复合材料制件型面完全贴合，并精确决定制件的型面。应力临界点后，复合材料制件的变形主要发生物理意义上的热胀冷缩过程。沿制件工艺曲线的降温曲线，制件从室温升至应力临界点温度的变形和降温过程是可逆的。

首次提出工装型面的精确设计依据。根据制件固化工艺曲线中的降温曲线，由室温下制件型面S离散成多个点，根据制件的热膨胀系数，利用点的位移公式，计算应力临界点温度下制件型面S′。应力临界点温度下工装型面G′与制件型面相同，即S′＝G′。根据工装型面G′及工装材料热膨胀系数，计算室温下工装型面G，并以G为工装型面的精确设计依据。

本发明是一种复合材料热压罐成形工装模板型面精确设计方法，应用这种设计方法，一方面，消除传统方法直接提取复合材料制件型面设计工装所造成的制件精度低，需反复试错修模的难题；另一方面，避免了考虑复合材料制件在固化过程中复杂的化学、物理变化等变形影响因素。本发明的设计方法，在保证精度的前提下，提高了设计质量和效率。

附图说明

图1本发明的技术路线。

图2形状为曲面的复合材料制件的尺寸变化示意图。