摘　要: 隨著復合材料結構件在航空領域的廣泛應用，對其制造工藝的研究也日益重要，尤其是復雜輪廓型面復合材料整體結構件的制造工藝。本文對復材結構固化過程產生的回彈變形進行了模擬分析，闡述了復合材料固化變形模擬技術在飛機結構制造中應用的必要性。
關鍵詞：復合材料 固化變形 模擬技術 制造工藝

前　言

　　復合材料（纖維增強聚合物基復合材料）在大型民機機體結構上的大量應用是現代大型民機的顯著特點之一，復合材料用量占機體結構重量的百分比從空客 A380 的 22% (另有GLARE 材料占 3%)到波音 787 的 50%，再到空客 A350XWB 的 52%。這標志著，復合材料已成為現代大型民機主要結構材料，結束了以鋁合金為主的機體結構時代。復合材料以其性能可設計性、結構整體成型等優點而被廣泛使用，但如制造中產生嚴重的翹曲變形會影響外形精度和裝配連接。整體復合材料結構的設計和制造是一個具有挑戰性的課題，必須以先進的設計理念和數字化設計技術以及先進制造技術作為保障,而對復合材料結構制造過程中出現的變形進行控制是實現復合材料結構整體化的關鍵技術之一。

1　固化變形機理分析

　　復合材料固化過程本質上是一個在低熱傳導率、各向異性材料中進行的具有非線性內熱源的固化反應過程，固化及此后降溫過程中產生的體積收縮會導致殘余應力和變形。對于熱壓罐成型工藝，影響固化變形的因素可分為內因和外因兩個方面：內因包括材料特征、鋪層取向和幾何形狀等與結構設計有關的因素；外因則包括固化溫度、時間、壓力以及模具等與工藝過程有關的因素。不合理的結構設計可能導致復雜的結構在不同方向收縮不一而產生殘余應力和變形，而優化的固化工藝及合理的模具設計可有效地減少殘余應力，從而達到控制結構在固化過程中變形的目的。

　　內因引起的固化變形在文獻[1]中有詳細的描述，主要概括為復合材料鋪層方向導致的結構各向異性，樹脂收縮產生的變形。外因中主要是模具熱脹系數不匹配導致的固化變形。在復合材料制造過程中，常用的模具材料為鋁合金、鋼和鎳合金等。由于復合材料制件與模具材料的熱脹冷縮不匹配，在復材制件結構垂直于模具表面方向產生應力梯度。下面以復合材料平板制件在熱壓罐升溫階段為例分析，如圖 1 所示[2]，在熱壓罐內壓力的作用下復材構件緊貼模具表面，升溫過程中模具與復合材料制件表面之間產生剪切應力，此剪應力表現為：與構件接觸的模具表面承受壓縮應力，而與模具接觸的構件表面承受拉應力。模具與構件之間的相互作用從樹脂基體進入粘彈性階段開始，此時復合材料的剪切模量很低，緊貼在模具表面的鋪層受到的影響較大，而遠離模具表面的鋪層承受的剪切力遠小于靠近模具表面的鋪層承受的剪切力，這樣，沿構件的厚度方向就形成了一個應力梯度，該應力梯度隨著樹脂的固化定型而殘留在構件中，直至構件完成固化后，復合材料構件脫模，殘余應力得到釋放而使構件變形。

2　變形控制模擬技術的發展

　　在復合材料結構應用早期，為克服固化過程中殘余應力和變形所帶來的種種問題，傳統的方法是在經驗和工藝試驗的基礎上，針對具體的結構，從外因的角度，對結構件的固化工藝所用模具型面進行反復的調整和補償性修正加工，以控制變形程度或抵消變形的影響作用，這種處理方法是以經驗和大量的試驗數據為基礎的，必然要耗費大量的人力物力和時間，且結果缺乏普適性，不能適應目前的設計制造一體化的要求。隨著復合材料結構件在航空領域的大量應用所帶來的對其結構設計制造快速、經濟的要求，大量使用模擬技術成為必然。

　　國外復合材料應用發展起步較早，隨著計算機的發展，采用計算機數值模擬復合材料固化過程，建立一套完整的固化變形分析和預測方法，改變傳統設計思想和設計程序，在設計之初就考慮到結構的成型問題，比較著名的有 Delaware 大學復合材料研究中心針對低溫聚合工藝開發的一系列復合材料模擬軟件。British Columbia 大學針對熱壓罐成型工藝開發的數值模擬軟件 COMPRO[3]，是一個關于熱壓罐的固化工藝二維有限元碼，包括熱壓罐和模具的特性及復合材料的特性等?？湛凸驹?A380 的制造過程中，針對復合材料結構件固化變形問題與荷蘭代爾夫特理工大學聯合，共同研究題為 Deformation of large composite panels by cure shrinkage 的項目，目的是在尋求設計階段對固化變形的控制方法。歐盟第七框架計劃(European Union Seventh Framework)中提出關于復合材料的航空科研項目 MAAXIMUS,此項目研究中的重要一項是建立飛機制造過程的虛擬模擬平臺，在生產制造復合材料結構之前進行虛擬模擬計算。

　　在熱壓罐成型過程中，復合材料結構件固化工藝的主要工藝參數包括溫度、升降溫速率和壓力。結構件幾何尺寸、材料體系、固化工藝參數均不同程度影響構件終成型質量, 選取合適的工藝參數是熱壓罐成型的關鍵環節。由于影響因素眾多, 采用實驗方法確定工藝參數有一定的局限性。采用數值模擬方法分析各種因素對成型質量的影響, 對選取合理工藝參數、節省試驗費用等具有重要意義。大型復合材料構件的固化變形模擬技術是結構設計與工藝設計的重要紐帶，是設計/制造一體化的核心技術之一，也是實現高精度高質量大型構件制備的重要技術手段，尤其在我國大型復合材料構件制備經驗不足的情況下，通過數值模擬方法進行虛擬的工藝參數設計，可以達到減少實驗次數，縮短生產周期，降低生產成本的要求。

3　應用舉例

　　對于熱壓罐成型結構件，考慮復合材料成型過程的物理和化學特性，通過模擬分析影響結構固化變形的因素，既可以找到各因素間的相互關系和影響趨勢，也可以按照結構終幾何要求設計佳制造工藝，達到控制變形的目的。作者曾采用有限元軟件 ABAQUS 對 L 形結構件在熱壓罐固化制度中的降溫階段的回彈變形進行了模擬計算[4]，主要分析討論影響變形的內因：結構設計參數對回彈變形的影響。結構材料為 Hercules 公司 AS4/3501-6[5]預浸料，為簡化模擬過程，計算中沒有考慮模具的影響。L 形結構件的有限元模型如圖 2 所示。

　　為分析結構的不同鋪層方向對制造過程中回彈變形的影響，比較了 L 型結構的[0]8，[0/45/90/-45] 2s及[90]8三種鋪層情況，結果如圖 3 所示，可見不同鋪層方向對回彈角的影響較大。出現這樣的變化趨勢的原因是不同鋪層的層合板 L 形構件在拐角處的徑向及周向熱應變及曲率收縮應變不同。對[0/45/90/-45]2s種鋪層，改變 L 形結構件的厚度,模擬回彈角度的變化，結果如圖 4 所示，可見厚度的改變對回彈角的影響也很明顯，隨著厚度的增加，回彈角變小。同樣地，改變此種鋪層的 L 形構件的拐角半徑,模擬回彈角度的變化，結果如圖 5 所示，隨著拐角半徑的增加回彈角增大，但增大的數值不很明顯。說明拐角半徑的改變對回彈角的影響不大。

　　由以上分析可見，通過對固化變形影響因素參數的模擬計算，可得到各參數對固化變形影響的趨勢和程度；在復合材料結構設計階段對固化變形的影響因素進行分析，可以為復合材料結構設計提供支持，優化結構設計；在復合材料結構件制造階段對固化變形的影響變形因素進行分析，可以指導固化工藝參數的調整，減少試驗數量，節省人力財力。因此通過在復材結構設計制造階段應用模擬技術，可以對固化變形進行合理有效地控制。

4　展望

　　復合材料結構模擬技術的應用，無論從原理上，還是從目前空客公司、波音公司已經取得的研究成果上來看，都證明是可行的，而且也達到了初的目標：縮短研制周期,降低生產成本,實現復合材料結構的整體化和設計/制造一體化。因此模擬技術是進行變形預測及控制的有效途徑，在復合材料結構件制造過程的應用前景廣闊，但是其應用的基礎是兼顧各類變形因素的計算方法的建立以及合理的模擬流程的開發，并利用試驗結果修正模擬技術，才能在復合材料結構件制造過程中達到控制變形的目的。