大型复合材料成型工装热-结构耦合变形分析

复合材料在热压罐中固化分为3个热历程：升温、恒温和降温，此过程中工装温度场分布的不均匀性导致各部分热应力分布不均匀，工装在热应力和自重载荷耦合作用下产生变形。热历程中工装变形量最大值分布如图6所示，从图中可得出：

（1）整个热历程中，工装总变形量最大值达4.662mm
     
       （2）工装沿自身长度方向变形量最大值为4.596mm，与总变形量最大值较为接近。

（3）工装沿自身宽度方向和高度方向的变形量最大值分别为0.805mm 和0.339mm，其变形量相对于工装长度方向变形量较小。

热应力不均匀导致的变形量最大值为静力载荷导致工装变形量的53~734 倍，这说明在复合材料固化成型过程中，热应力载荷对工装结构变形起着决定性作用。

图6反映出工装总变形量最大值随时间的变化，不能得出热应力不均匀导致的型面翘曲对型面的影响。对工装型面翘曲的表征从沿工装长度方向（图5 中U 方向）和沿工装宽度方向（图5 中V 方向）这两个方面来阐述：沿工装长度方向的翘曲，采用V1 上的U1V1、U7V1、U14V1，V3上的U1V3、U7V3、U14V3 和V5上的U1V5、U7V5、U14V5 位置作为监测点；沿工装宽度方向的翘曲，采用U3上的U3V1、U3V3、U3V5，U7上的U7V1、U7V3、U7V5 和U14 上的U14V1、U14V3、U14V5 位置作为监测点。由图7得知：
     （1）沿V3方向，其中间位置、迎风端及背风端位置由于均受到加热而使Z向变形量在热历程升温阶段逐渐增大；进入恒温阶段后，中间位置处Z向变形量基本趋于平稳，迎风端和背风端由于与环境热空气的温差不一致导致升温幅度不同，各自的Z向变形量不同；降温阶段，其变形量趋势基本与升温阶段相反。
     （2）沿V1和V5方向，迎风端位置Z 向变形量在热历程中先是低于后又高于中间位置和背风端位置的Z向变形量。
     （3）迎风端位置相对于中间位置的Z向变形量先是低于后又高于背风端位置相对于中间位置的Z向变形量。这是因为迎风端虽然首先与环境空气相接处，但工装内部的支撑柱在空气流经工装内部时对其形成扰流作用，使工装内局部空气流动速度明显大于工装外部，中间位置的支撑柱与空气换热速率增大。
     （4）V3方向，内部支撑柱的扰流作用使背风端位置相对于中间位置的Z向变形量先急剧增大后趋于平稳，然后迅速下降；V1和V5方向，其处于工装外围与工装外部流动空气直接接触，背风端位置相对于中间位置的Z向变形量在整个热历程中变化较平缓。

另外，研究表明：

     （1）沿工装宽度方向，翘曲变形基本处于对称状态。

     （2）在U7方向上，两端位置相对中间位置的Z向变形量在升温阶段急剧增大，在恒温阶段达到最大值并缓慢下降，进入降温阶段后急剧减小。

     （3）在U3和U14方向上，监测位置处的Z向变形量曲线在热历程中基本保持一致；因为工装宽度方向尺寸相对较小，在热历程不同阶段，空气流态在宽度方向上对温度场差值影响较小。

     （4）在U3和U14方向上，两端位置相对中间位置的Z向变形量在升温阶段急剧增大，进入恒温阶段后迅速下降；在恒温阶段后期出现缓慢变化，进入降温阶段又迅速下降。

在复合材料的热压罐固化过程中，对柱支撑形式的固化工装型面，温度不均匀性导致的型面翘曲变形较为复杂。在工装结构内部，支撑柱存在位置所对应型面的局部变形量大于没有支撑柱存在的位置，这是因为支撑柱对空气的扰流作用加快了支撑柱与周围空气之间的热传递。图8为3200s时工装温度场及Z向结构变形量分布云图。

结束语

       本文以柱支撑形式建立大型复合材料固化工装模型，在保证工装结构静力刚度的前提下，计算得到工装在热压罐固化工艺过程中的温度场分布，然后把重力载荷，施加到带有温度值的有限元模型上进行工装的热- 结构耦合分析。得到结论如下：

      （1）成型工装在热- 结构耦合作用下，相对于重力载荷热应力载荷对工装结构变形起决定性作用。

      （2）对工装型面在垂直型面方向的变形量，有支撑柱存在的位置大于无支撑柱存在的位置。