1、复合材料科学与工程DOI:10.19936/ki.20968000.20220728.031基于先进拉挤工艺的帽形长桁预成型模具的优化重构陈博毅，齐俊伟*，王跃全，石甲琪(南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京210001)摘要:对帽形长桁先进拉挤(Advanced Pultrusion，ADP)原理样机制备预制体试验进行了研究。预制体成型质量的影响因素有预成型模具曲面外形、预成型温度、张力大小等，其中模具曲面外形设计不合理会影响层合板温度均匀性及张力传递。结合 M21 预浸料材料属性在 ABAQUS 中建立模型模拟预成型过程，层合板变形模拟结果与实际试验基本吻合，验证了弹性参数及边界条件
2、的可靠性。将变形后的预浸料层合板节点坐标通过 CATIA 文件夹内 GSD_PointSplineLoftFromExcel 宏命令导入 CATIA，运用创成式外形设计重构模具曲面外形。模具优化后重复预成型模拟试验，研究结果表明运用此方法重构模具曲面外形改善了层合板与模具之间的贴附性，架空间隙包络体积减小至优化前间隙体积的 2.6%，从而可提高预成型过程中层合板的温度均匀性，便于预浸料层间滑移运动，减少预制体缺陷产生。关键词:复合材料;先进拉挤;帽形长桁;预浸料;预成型模具;贴附性中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03005909Optimization
3、 and reconstruction of hat beam preforming mold based on advanced pultrusion processCHEN Boyi，QI Junwei*，WANG Yuequan，SHI Jiaqi(School of Materials Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210001，China)Abstract:The experiment of preparing preforms with the ad
4、vanced pultrusion(ADP)principle prototype of hatbeam was studied The influencing factors of the molding quality of the preforms include the surface shape of thepreforming mold，the preforming temperature，the tension，etc Among them，the unreasonable design of the moldsurface shape would affect the temp
5、erature uniformity and the tension transmission Combined with the material prop-erties of M21 prepreg，a model was established in ABAQUS to simulate the preforming process，and the simulationresults of laminate deformation are basically consistent with the actual test，which verified the reliability of
6、 the elas-tic parameters and boundary conditions The deformed prepreg laminate node coordinates was imported into CATIAthrough the GSD_PointSplineLoftFromExcel macro command in the CATIA folder，and generative shape designwas used to reconstruct the surface shape of the mold The preforming simulation
7、 test was repeated after mold opti-mization The research results show that using this method to reconstruct the surface shape of the mold improves theadhesion between the prepreg and the mold，and the envelope volume of the overhead gap is reduced to 2.6%of thegap before optimization，which can improv
8、e the preforming process The temperature uniformity of the prepreg isimproved，which can facilitate the sliding movement between the prepreg layers and reduce the occurrence of defectsin the preformKey words:composites;advanced pultrusion;hat beam;prepreg;preforming mold;adhesion收稿日期:20220222基金项目:国家商
9、用飞机制造工程技术研究中心创新基金项目(COMACSFGS2021668)作者简介:陈博毅(1997)，男，硕士研究生，主要从事先进复合材料方面的研究。通讯作者:齐俊伟(1964)，男，硕士，高级工程师，主要从事先进复合材料自动化成型技术方面的研究，。在现代飞机结构中，长桁被广泛应用于飞机的壁板加强结构，是飞机重要的受力部件之一1。目前，对于较长的复合材料桁梁结构的制备，通常采用热压罐固化成型，但往往受制于热压罐尺寸及模具投入。而复合材料先进拉挤(ADP)可实现高效率自动化的一次性成型制造，对于批量化生产桁梁型材具有较大优势。先进拉挤成型 27 的概念最早由日本的 JAMCO 公952023
10、年第 3 期基于先进拉挤工艺的帽形长桁预成型模具的优化重构司提出，已成功被运用于空客飞机部分机型 A330200的垂直尾翼及 A380 的上层地板梁。国内最早由罗鹏等8 对 ADP 技术进行了研究，探索了预浸料拉挤成型的原理，设计出国内首台 ADP 原理样机。陈以传等9 针对 ADP 提出帽形长桁预成型模具几何线长约束理论，通过约束横纵向模具线长进行变形分析。常用的预成型方法有热模压预成型、热隔膜预成型、辊压预成型等1。在预成型过程中，不合适的参数会导致预制体出现褶皱、纤维偏转等缺陷1012。Muk-hopadhyay 等13 发现制件中褶皱缺陷会严重降低材料的抗压强度;而纤维褶皱、凹陷和凸起
11、对结构的剩余强度也有一定的影响14。Labeas15 针对热隔膜成型过程进行了温度场变化和层合板变形的数值模拟及分析。元振毅等16 针对热隔膜成型过程建立了三维数值仿真模型，研究了成型过程固化度分布、层间滑移等情况。目前，国内关于热固性树脂基复合材料先进拉挤的研究主要集中在试验室试验探索阶段，针对其成型过程的工艺仿真研究还较为欠缺。本文在模具单纯几何线长设计的基础上分析模拟预成型过程中预浸料层合板的变形情况，分析重构变形曲面，通过理论模拟及试验结果比对，考察预成型模具改进前后预浸料层合板的变形贴附情况。研究结果可为后续先进拉挤预成型模具设计提供可行方法。1早期模具构型及试验结果1.1技术指标及
12、试验流程帽形长桁的截面形状如图 1 所示，满足技术指标要求:截面长宽不小于 30 mm200 mm，在拉挤过程中两侧帽底各留 15 mm 飞边，用于最终机加成型。要求缘条底面为成型基准面。图 1帽形长桁截面尺寸Fig.1Crosssectional dimensions of hat beam先进拉挤成型是一种通过一系列装置对预浸料进行步进式固化成型的工艺，主要由放料平台、张力模块、预成型模块、热压固化模块、后固化模块、牵引模块及检测等模块组成，流程示意图见图 2。图 2先进拉挤流程图Fig.2Flow chart of advanced pultrusion由图 2 可知，按设计铺层铺贴的预
13、浸料层合板经预热达到所需预成型温度预压后进入预成型模具，在前置牵引力和后置回拉张力作用下贴附预成型模具步进前进，保温，逐渐变形成所需的截面形状，随后进入热压模块中完成固化，出模后完成后固化降低残余应力，生产出所需截面的复合材料型材，最后进行切割并检测制件质量。先进拉挤成型可结合铺层设计、自动铺放技术、拉挤成型的优势，使预浸料层合板制成预制体后连续固化成型，生产出不受模具尺寸限制的超长复合材料型材。由平直状态逐渐变形为所需截面形状的过程中，由于碳纤维的纵向模量很大，在可控放料张力作用下的拉伸变形近乎为零，因此，预浸带的碳纤维从预成型开始至结束时各纵向纤维所经路径长度如若不等，则会产生纤维皱曲、中
14、心偏移等现象。因而预成型模具表面设计时要保证各纵向线长相等，同时又要保证模具表面各截面曲线展开长度相等，以避免预浸带中相邻纤维在预成型过程中出现横向褶皱和劈裂。先进拉挤工艺的加热可通过电控系统改变加热管功率，并调整加热管位置，保证模具表面温度场的均匀性。由于本文层合板厚度较小，层合板贴附预成型模具时，温度很快达到指定温度，在张力及模具约束作用力下能顺利渐变变形进行层间滑移等运动。但当层合板和模具之间存在架空间隙时，由于空气热导率远低于模具用铝热导率，阻热传效应明显，且层合板上部存在空气对流换热，造成层合板各部位温度区别较大，同时张力传递受阻，使成型过程中预浸料层间运动受阻。故有必要对预成型过程
15、进行分析，寻求理想预成型变形方案。1.2早期预成型模具设计 几何线长约束法早期研究9 选取如图 3 所示的曲线结构进行横向线长约束。为了使帽形梁 角区域连续均匀折弯，在约束曲线上令 角区域的半径始终为相应的固定值。062023 年 3 月复合材料科学与工程图 3横向约束曲线Fig.3Horizontal constraint curve图 4 为简化的预成型模具表面的几何模型示意图，表征帽腰和 角贴合模具预浸料的纵向变形路径，以直线段 BC 为例，分析线长变化，将其等分，可确定各点坐标。同理等分 AB 至 A1B1、CD 至 C1D1。基于 MATLAB 编写程序进行数值计算寻优条件，确定放料
16、端的 Z 轴高度。图 4纵向线长约束Fig.4Longitudinal line length constraint为避免帽顶及帽底面在绷直状态发生横向偏移，必须使两端点的 X 坐标与自然张紧状态时相等，使端点在 Z 轴上相对于自然路径对称偏移。现每隔一定长度构建约束曲线，于 CATIA 中生成多截面曲面。经纵向约束、横向约束、纵向线长检验之后，模具设计表面如图 5 所示。图 5线长约束法生成的多截面曲面Fig.5Multisection surface generated by theline length constraint method采用南京航空航天大学复合材料工程自动化技术研究中心自研先进拉挤原理样机进行试验。线长约束法预成型实物图如图 6 所示。图 6线长约束法预成型模具实物图Fig.6The physical image of the preforming moldwith the line length constraint method1.3试验材料采用牌号为 M21/34%/UD194/IMA/150ATL 的碳纤维/环氧树脂单向预浸料，Hexcel 公司。单层厚