摘要： 基于商用軟件平臺，利用共軛傳熱分析方法，針對汽車用復合材料板彈簧的模壓熱成型工藝進行了研究。建立了復合材料板彈簧模壓熱成型共軛傳熱分析模型，利用該模型以整體加熱效率和受熱均勻性為評價指標比較分析了加熱系統不同進出油口組合方案的優劣，并就串聯和并聯兩種導熱油路設計的差異進行了對比。后，通過在模具內部布置熱電偶和在分析模型中設置溫度監測點，對采用該分析方法模擬復合材料板彈簧模壓熱成型工藝的可行性進行了驗證。所述計算模型和結果為復合材料板彈簧模壓熱成型工藝設計提供了數據參考。

 

關鍵詞： 復合材料 板彈簧 共軛傳熱 模壓工藝

 

 

相關研究表明，汽車減重10%，油耗可減少6%～8%。板彈簧是車輛懸架系統的重要組成部分，在車體自重中所占比例約為5%～7%，起著傳遞車架與車輪之間力和力矩的作用。相比傳統金屬板彈簧質量重、壽命周期短等缺點，使用復合材料制備板彈簧的質量可減輕60%～70%。目前，減輕汽車質量，降低燃油消耗及改善行駛舒適性是汽車行業追求的目標。通過采用復合材料取代傳統鋼板彈簧可以有效實現汽車輕量化需求。

 

考慮到汽車用彈簧承載高、沖擊大、疲勞循環次數高的工作特點，目前強度高、耐沖擊、耐腐蝕的熱固性樹脂基纖維增強材料成為行業應用的選。樹脂的交聯程度和固化效果對復合材料的性能起決定性作用，從而，在樹脂基體和纖維增強體系都確定的前提下，進行佳固化工藝條件的研究對獲得具有高性能的復合材料及其制品顯得尤為重要。常用的復合材料板彈簧的成型工藝有纏繞、拉擠、模壓和RTM等工藝或其中的組合工藝。復合材料板彈簧采用模壓工藝較為廣泛，但隨著復合材料板彈簧厚度的增加，預浸料固化過程中將會出現溫度分布不均勻、內部固化不完全等問題，給成型工藝帶來了很大的困難。目前，國內部分學者研究了復合材料板彈簧的模壓熱成型工藝，但主要局限于使用測試和試驗的方法進行。

 

本文提出了基于商用軟件平臺Star-CCM+采用共軛傳熱數值方法對復合材料板彈簧的模壓熱成型工藝過程進行研究，從而為復合材料板彈簧在模壓成型工藝過程中合理選擇成型工藝條件和優化模壓料的流動性能提供數據支持，并終為制備合格的模壓制品創造條件，并減少開發成本。

 

 

物體的傳熱過程有3種基本模式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導的計算方程如下。

 

 

式中，qx(W/m2)為與熱量傳輸方向相垂直的單位面積上的熱流速率。它與該方向上的溫度梯度成正比，k為介質的熱導率。

 

對流熱流密度計算方程如下。

 

式中，Ts為固體壁面溫度；T∞為壁面接觸流體的溫度；h為對流換熱系數（W/m2·K）。

 

復合材料板彈簧熱壓成型方式存在較強的熱對流，但熱傳導和熱輻射同時存在。由于在強迫對流傳熱過程中，熱輻射的影響很小，所以經常將其忽略。具體熱壓成型過程中，熱量在導熱油、金屬模具和復合材料三個不同熱學材料間互相傳遞，存在兩個熱量交界面，即導熱油與模具交界面和模具與復合材料交界面，如圖1所示。

圖1 熱量傳遞路徑

 

共軛傳熱現象主要發生在導熱油與模具的流固耦合交界面上，此時流體和固體溫度參數在迭代方程中作隱式處理，在能量方程中聯立求解，具體如下。

 

 

式中，n代表熱流方向；Tref為特征流體溫度；qc為由于相變引起的附加熱通量。

 

 

整個成型工藝過程涉及3種材料，根據計算經驗選取具體材料熱學參數信息如表1。

 

表1 材料熱學參數

 

導熱油為合成導熱油，具有良好的熱穩定性，其熱學參數信息如表2所示。由表2可知，導熱油的動力粘度、密度、比熱容和熱傳導系數均隨溫度的變化而發生變化，因此在熱學計算時需要考慮導熱油本身的溫變特性。

 

表2 導熱油熱學參數

 

 

這里選取某型號復合材料板彈簧為研究對象，其一模兩腔模壓模具的幾何結構如圖2所示。

 

圖2 復合材料板彈簧成型模具結構

 

加熱系統是整個工藝過程的核心部分。這里采用導熱油加熱，陽模、陰模分別形成2個回路。如圖3所示為導熱油管路系統的具體結構示意圖，總共有8個流量相同的進/出油口，分別對應圖中①～⑧。

 

圖3 模具加熱管路系統

 

 

加熱管路系統可以根據需要設計成串聯式或并聯式。同時，如圖3所示加熱管路系統的8個進出油口也存在優化分配問題。為此，以復合材料板彈簧加熱時間（板彈簧體積平均溫度到達穩態所需要的加熱時間）、平均溫度（特定加熱時間下的板彈簧體積平均溫度）、高溫度（板彈簧網格節點的高溫度）、溫度差（板彈簧網格節點的高溫度與低溫度的差值）作為評價指標，制定如下兩項優化分析任務。

 

a.基于相同工況（導熱油溫度453.15 K，總流量2.78 kg/m3），對八個進出油口的不同設置方案的加熱效果進行優化對比；b.基于相同工況（導熱油溫度453.15 K，流量2.78 kg/m3），研究導熱管路串聯和并聯下的加熱效果。環境溫度均設定為293.15 K。加熱時間和平均溫度可以反應加熱系統的加熱效率，高溫度和溫度差可以反應板簧的受熱均勻性。

 

實際分析過程中，選擇K-Epsilon湍流模型進行計算。同時，考慮到熱量在交界面上頻繁發生轉移，為了有利于動態監測具體結構的溫度變化情況，采用瞬態計算方法。

 

4.1 進出口組合方式優化

 

在考慮到對稱性的基礎上，表3為圖3所示8個進出口6種典型組合方案。其中，IN代表進油口，OUT代表出油口。

 

表3 進出油口設置方案

 

顯然，不同加熱方案的溫度分布特點會有較大不同，其對應的不同溫度段分布范圍也存在較大差別。圖4和圖5為加熱方案A執行穩態計算后模具和板彈簧的溫度分布情況。由圖可知，高溫區域相對集中在模具中間部位。由于板彈簧位置相對更貼近下模，使得靠近下模一側的溫度明顯高于靠近上模一側。

 

圖4 加熱方案A下模具溫度分布

 

圖5 加熱方案A下板彈簧溫度分布

 

圖6給出了表3所述6種加熱方案下板彈簧體積平均溫度達到一定參考值（451.5 K）所用的加熱時間。以共軛傳熱瞬態計算板彈簧體積平均溫度與理論值的偏差小于參考值為標準來統計加熱時間。誤差參考值的不同會造成Tref具體數值上的差異，這里選取誤差參考值為0.001。可以看出，方案A的加熱時間短，小于49 min，其次為方式D。其中，方案B的加熱時間長，超過52 min。

 

圖6 不同加熱方案加熱時間對比

 

為了更為充分的了解各種加熱方案的加熱效率，需要清楚在相同加熱時間下板彈簧體積平均溫度與理想溫度的誤差水平并對比差異。加熱時間選用方案A加熱達到穩態所用的時間。具體信息如圖7所示。

 

圖7 不同加熱方案板彈簧體積平均溫度對比

 

可以看出，在相同加熱時間下，方案A的板彈簧體積平均溫度高，靠近理論工藝溫度（即453.15 K），誤差僅為3.3‰；其次為方案D，誤差為3.4‰；方式B計算所得板簧體積平均溫度偏離理論值多，其誤差為3.8‰。進一步計算結果表明方案A的板簧高節點溫度為靠近理論工藝溫度。

 

板彈簧節點溫度差是體現板簧受熱均勻性的直接參考指標，其值越小反映出加熱效果越好，對應的加熱方案更為優越。分析圖8中數據得出，方案A、方案D兩種方式相對較好，板彈簧所有節點的溫度差控制在了3 K以內。

 

圖8 不同加熱方案板彈簧溫度差對比

 

綜合分析可以看出，加熱方案A使得板彈簧體積平均溫度達到設定值所用時間短，對應的板彈簧節點溫度差異也小。加熱方案D次之。所以，進出油口采用A或D方案進行設置可以使得模具加熱效率和板簧受熱均勻性優。

 

 

基于模具油路系統（圖9所示）的對稱性考慮，這里僅選取整體油道的1/4模型進行分析，同時進出油口設置參考上述方案A執行，具體細節如圖9所示。

 

圖9 模具加熱油路系統示意

 

選取出油管路長度方向中間位置點（如圖9中標識）來監測油路的溫度變化過程，同時考察油路體積平均溫度到達穩定狀態的時間。

 

圖10和圖11給出了具體數據信息。圖中數據表明并聯結構可以在相對較短時間內使得管路內的體積平均溫度和監測點A位置溫度達到一個穩定值，所用時間小于10 min，較串聯管路結構所需時間縮短一倍左右。這主要是因為并聯結構存在頻繁的分流和匯合現象，允許導熱油快速流通整個管路，所以相對來說管路內的導熱油流動更為快捷。但數據顯示串聯結構在加熱達到穩定階段時其體積平均溫度比并聯結構更為接近輸入溫度，兩者差值大概為0.34 K（輸入溫度為453.15 K）。圖12、圖13和圖14給出了某一時間節點下管路溫度分布和穩態狀態下兩種管路的導熱油速度分布和溫度分布。可以看出，并聯結構使得導熱油能夠快速流過整個管路，從而使得管路整體溫度快速上升，但由于并聯結構的存在，導熱油主要沿著兩條并行主干道流動，部分管路尾端由于供油不足而存在受熱不均現象。而串聯結構雖然在加熱時間是上會有所延長，但導熱油可以充分的填滿整個管路，達到穩態后溫度分布更為均勻，且穩態后油路溫度分布更加接近理論輸入溫度。

圖10 監測點溫度變化規律

 

圖11 體積平均溫度變化規律

 

圖12 加熱時間10 min管路溫度分布

圖13 兩種油路結構穩態下速度分布

圖14 兩種油路結構穩態下溫度分布

 

因此，為了保證復合材料板彈簧成型的受熱均勻性，在現有模具整體結構和油路系統下推薦使用串聯管路結構。

 

選取某型復合材料板彈簧成型工藝為研究對象，具體模具和加熱油路結構同圖2和圖3。油路為串聯結構，并參考表3中的方案A進行具體進出口設置。

 

 

溫度制度是控制制品成型好壞的關鍵。典型的模壓工藝一般分為快速成型和慢速成型2種。

 

這里根據模壓料的類型采用慢速模壓成型工藝，包括3個加熱階段，具體工藝路線如圖15所示。

 

圖15 工藝路線

 

 

圖16中給出了3個溫度階段末模具內部溫度分布情況。分析圖16中數據可知，雖然不同溫度階段的模具內部溫度分布范圍存在較大差別，但分布特點相似。高溫區域主要集中在沿加熱管路分布的圓周，且陰模高溫區域分布范圍更大，這主要是因為陰模的加熱管路更靠近模具，熱量通過隔熱板耗散到外部環境較慢。隔熱板兩邊的溫差達到了70℃甚至更高，說明隔熱板起到了良好的隔熱效果。模具兩側內部與空氣接觸的地方溫度梯度明顯增大，說明這些位置由于空氣對流換熱加劇了熱量的耗散。由于板彈簧中間厚兩邊薄，所以板彈簧中間位置的溫度差都要大于板彈簧兩側。通過監測板彈簧內部節點溫度差發現在任何一個升溫階段溫度差會隨著時間的推移先變大而后不斷下降后趨于平穩。而到達平穩的時間正是復合材料板彈簧模壓熱成型工藝質量控制的核心指標之一。

 

 

為了監測成型過程中板彈簧內部實際溫度的變化情況，在板彈簧長度方向上的中間、1/4處以及端部分別布置熱電偶，分別對應圖17中兩根板彈簧的A、B、C、D和E點，各點均處在板彈簧厚度方向的中間位置。同時，在仿真計算模型中相同位置處設置對應溫度監測點。

 

圖18為板彈簧五個溫度監測點在整個熱壓成型過程中試驗和仿真計算數據對比情況。先，板彈簧內部的五個監測點的溫度變化過程趨勢一致，計算溫度曲線能夠合理反映出板彈簧內部監測點的溫度變化趨勢，與試驗測試誤差在可控范圍之內。不同升溫階段對應的時間跨度接近。其中，C點與E點、A點與D點兩組監測點在整個成型工藝過程中的不同時刻溫度值均非常接近，這符合這兩組監測點的位置一致關系。在溫升階段，C點溫度上升快，而后上升速率減緩并在溫升階段末逐漸與B點和E點一致。這主要因為整個加熱管路比較長，導熱油從進油口流動到出油口本身需要花費一定的時間，而C點離進油口比較近自然在開始階段的溫度上升速率會更快。由于A點和D點相較于B點和E點在模具內距離加熱管路較遠，以及加熱系統與外界熱交換的存在，在整個溫度上升階段A點和D點的溫度值均會稍低于B點和E點的溫度值。在第三溫度階段末整個模型達到熱平衡后，兩組監測點的溫度趨于平穩，其溫度差也達到小。

圖16 模具及板彈簧內部溫度分布

 

圖17 熱電偶在板彈簧預浸料中的布置

 

圖18 板簧溫度監測點數據比對

 

分析圖中實測數據可以發現在第3個升溫階段，A、B、C點的溫度先迅速增加而后逐漸回落并趨于穩定。其中，A點溫度上升速度快，高溫度接近150℃。這是由于復合材料板彈簧預浸料自身固化反應放熱造成。A點處于板彈簧中間位置，預浸料存在的厚度大于B、C兩點，固化反應放出的熱量更多而耗散卻相對較慢。當溫度回落到135℃附件時，預浸料的固化反應已基本結束。由于流體軟件目前無法模擬板彈簧預浸料由于自身溫度升高而發生的固化放熱反應，其在板彈簧的熱傳遞過程中所發生的放熱效果還無法準確評估，所以造成該階段實驗和計算曲線存在較大誤差。

 

板彈簧的溫度分布均勻性和與理論工藝溫度的誤差是板簧成型質量的重要參考指標，加熱時間是成型效率的重要保障。圖18所示結果表明仿真計算與實測數據比較貼近，能夠正確的反映復合材料在熱壓成型工藝中的溫度變化過程，并能夠計算出每個溫升階段所需要的時間和不同位置點的工藝溫度范圍，對準確獲取成型溫度制度中的各個溫度指標進而指導樣品試制具有實際意義。

 

 

利用共軛傳熱分析方法，對比分析了不同進出油口設置方案和串并聯油路設計下復合材料板彈簧模壓工藝加熱效果差異。結果表明，進出油口采用方案A或D模具油路系統加熱效率和板彈簧受熱均勻性優；串聯油路結構相較并聯油路結構加熱效果更好；實際工藝過程溫度監測結果顯示仿真計算與實測數據比較貼近，說明該分析方法能夠較正確的反映復合材料在模壓熱成型工藝中的溫度變化過程，并計算出每個溫升階段所需要的時間和不同位置點的工藝溫度范圍，對準確獲取成型溫度制度中的各個溫度指標進而指導樣品試制具有實際意義。但該方法目前無法考慮板彈簧預浸料由于自身溫度升高而發生的固化放熱效應。