大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱壓罐工藝溫度場權(quán)衡設(shè)計.pdf

1、先進復(fù)合材料由于其優(yōu)異的高比強度、高比剛度特性，在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域得到了大范圍的認可。隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用的發(fā)展，相應(yīng)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念也得到了質(zhì)的提升，由原先的等代設(shè)計(基于金屬結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計復(fù)合材料結(jié)構(gòu))發(fā)展為能夠充分利用復(fù)合材料可設(shè)計性以及工藝上可同時固化成型特點的整體化設(shè)計。由此，在航空航天領(lǐng)域，越來越多的先進復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計趨向于集約化、大型化，以進一步滿足減重、減少裝配等要求。而高性能也意味著高風(fēng)險，結(jié)構(gòu)大型化也導(dǎo)致先進

2、復(fù)合材料制件在制造工藝上的難度加大；與此同時，先進復(fù)合材料制件高昂的制造成本問題也同樣突出。為了解決這兩個制造過程中的重要難題，必須提高先進復(fù)合材料制造的工藝設(shè)計水平，以實現(xiàn)制造過程中保障質(zhì)量并降低成本的目的。
　　熱壓罐工藝目前仍是制造大型先進復(fù)合材料制件的主要工藝方法，而該工藝在固化過程中的溫度場分布是最重要的工藝控制因素。在其工藝過程中，須使制件的溫度場在時間和空間上得到合理分布，以保證產(chǎn)品的固化質(zhì)量要求。同時，合理的溫度場

3、工藝參數(shù)設(shè)計也將起到降低熱壓罐工藝的制造成本的作用。而傳統(tǒng)的工藝設(shè)計往往基于有限的工藝試驗來確定保守的工藝參數(shù)，以保證質(zhì)量的可靠。這種方法雖然保證了質(zhì)量，但卻無法達到控制，同時保守的工藝參數(shù)也導(dǎo)致了制造成本的大大增加。為此，需要一種新的固化溫度場設(shè)計方法來滿足先進復(fù)合材料的發(fā)展對于制造工藝的要求。本文以制造大型先進復(fù)合材料構(gòu)件的熱壓罐工藝為主要研究對象，針對熱壓罐工藝的制造成本與工藝固化過程中的溫度場問題展開研究，并以此為基礎(chǔ)建立一種面

4、向固化質(zhì)量與制造成本的熱壓罐工藝溫度場的權(quán)衡設(shè)計方法。
　　重點研究了熱壓罐工藝環(huán)境下，先進復(fù)合材料固化過程中的外部溫度場問題，特別是以往研究中忽略的強迫對流換熱環(huán)境和非厚度方向的溫度分布；以六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分區(qū)域，通過有限體積法，利用計算流體力學(xué)中連續(xù)、運動、能量的非定常三維 N-S方程，以及反映湍流特性的湍流模型，建立了一種反映熱壓罐內(nèi)強迫對流換熱的溫度場變化的三維非定常模擬方法；選取固化過程中，對構(gòu)件溫度場具有重要影響作用

5、的框架式模具溫度場進行數(shù)值模擬，并進行了相應(yīng)的溫度場試驗驗證，結(jié)果證明了模擬方法的有效性；鑒于模具設(shè)計在工藝設(shè)計中的重要地位，通過一系列數(shù)值模擬算例，進行了框架式模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對模具溫度場的影響規(guī)律的研究，同時也對工藝過程中的工藝參數(shù)及模具在罐內(nèi)擺放位置對于模具溫度場的影響進行了規(guī)律性研究，并取得了相應(yīng)的結(jié)論。
　　先進復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中的溫度場屬于外部溫度場與內(nèi)部固化反應(yīng)放熱的耦合溫度場。以往的構(gòu)件溫度場研究通常注重于材料厚度

6、方向的溫度場問題，并將構(gòu)件的外部溫度場進行簡化處理；通過之前建立的強迫對流換熱環(huán)境下的模具外部溫度場模擬方法，結(jié)合航空制件使用的先進復(fù)合材料QY8911/T700預(yù)浸料的固化放熱反應(yīng)模型，進行了航空領(lǐng)域常用的變厚度蒙皮結(jié)構(gòu)固化過程中的耦合溫度場的模擬，并由模擬結(jié)果對耦合溫度場的特點進行了分析；在此基礎(chǔ)上，通過一系列數(shù)值模擬計算，進行了先進復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工藝環(huán)境參數(shù)對于構(gòu)件固化溫度場分布的影響規(guī)律。
　　基于國內(nèi)先進復(fù)合材

7、料制造環(huán)境的現(xiàn)狀及特點，首先以面向成本設(shè)計(Design For Cost, DFC)的成本概念，明確了先進復(fù)合材料制造過程中的成本分類及特點，利用過程成本估算方法建立了適合于小規(guī)模生產(chǎn)的工藝過程和管理特點的熱壓罐工藝成本估算理論框架、標準模型的建立流程以及人工工時估算方法；通過典型熱壓罐工藝過程，具體闡述了其制造成本中標準工序估算模型的建立過程和成本估算的實施流程。
　　分析了 QY8911樹脂固化工藝過程的特點，提出了表征固化