1、信息技术周诗雨等几何因素对蜂窝夹层构件固化变形的影响研究基金项目:国防基础科研计划项目()第一作者简介:周诗雨()女河南漯河人硕士研究生研究方向为复合材料成型工艺模拟.:./.几何因素对蜂窝夹层构件固化变形的影响研究周诗雨安鲁陵赵聪张永明(南京航空航天大学 机电学院江苏 南京)摘 要:针对热压罐固化工艺复合材料蜂窝夹层构件的固化变形问题以 型蜂窝夹层构件为研究对象分析蜂窝夹层结构中蜂窝的几何因素对该构件固化变形影响规律 利用有限元仿真的方法以 型构件的回弹角为评价指标对蜂窝相对 型构件圆角的距离、蜂窝倒角和蜂窝厚度这 个几何因素对复合材料蜂窝夹层构件固化变形的影响进行研究 结果表明:蜂窝倒角对
2、固化变形的影响最为显著在设计蜂窝结构时倒角应取 回弹角随蜂窝倒角增大而减小固化变形随蜂窝位置远离圆角先增大后减小随着厚度的增大而先增大后减小关键词:复合材料蜂窝夹层结构固化变形有限元法优化中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言复合材料蜂窝夹层结构是一种特殊的复合材料结构通常由上、下两层较薄的复合材料面板和中间的蜂窝芯材组成 因其具有低密度、高强度、高刚度等优点被广泛应用于航空航天、通信卫星、汽车等领域 针对蜂窝夹层结构复合材料的成型通常采用胶接成型和共固化成型等方式 其中前者是先通过热压罐工艺固化两侧面板再将蜂窝与其胶接在一起 后者是将未固化的上、下面板和蜂窝芯按顺序铺放在一起
3、通过热压罐工艺一次固化成型其步骤较之胶接成型更为简单制造周期短成本低在采用热压罐工艺固化成型时多种因素共同作用导致了复合材料固化变形的产生其中内因有材料的属性和构件的几何形状等外因有模具材料和成型工艺等针对蜂窝夹层结构的共固化过程分析多集中在蜂窝塌陷、滑移等结构缺陷上 在对蜂窝夹层结构固化变形的综合分析方面 等针对基于织物预浸料和 蜂窝芯的 型夹层结构表明蜂窝夹层结构的固化变形比层合结构的变形小 等也针对平面夹层板结构进行了研究表明铝蜂窝芯可有效减少夹芯板的翘曲综上所述大部分以复合材料蜂窝夹层结构固化变形为对象进行的研究对蜂窝的几何因素对整体夹层结构的固化变形鲜有涉及 因此本文以基于织物预浸料
4、和 蜂窝芯的 型蜂窝夹层构件为研究对象研究分析了蜂窝夹层结构中蜂窝的几何因素(蜂窝相对 型构件圆角的距离、蜂窝倒角的角度和蜂窝厚度)对构件固化变形的影响规律为蜂窝夹层结构的设计和制造提供参考 几何建模及数学模型在飞行器的结构设计中为了提高整体大型壁板的刚性和强度常会采用在壁板内部增加 形梁的方式 形信息技术周诗雨等几何因素对蜂窝夹层构件固化变形的影响研究梁的截面如图 所示提取该结构的主要特征即相互之间呈一定角度的面板与其中一个面板上的蜂窝夹层将其抽象为如图 所示的 型蜂窝夹层构件作为本文的研究对象6/76图 形梁截面图图 型蜂窝夹层构件为了提高成型质量从制造的角度为蜂窝夹层结构设计提供借鉴本文
5、分析了蜂窝相对于 型结构圆角的距离、蜂窝芯上的倒角大小和蜂窝芯厚度这 个几何因素对 型蜂窝夹层构件固化变形的影响 本文基于有限元仿真方法利用 软件建立 型蜂窝夹层构件共固化成型的有限元模型 通过正交实验法设计实验分析了上述 个几何因素对固化变形量的影响优化结构参数组合提高固化成型精度.型蜂窝夹层构件几何模型使用软件 建立 型蜂窝夹层构件的几何模型为降低模型结构的复杂性对蜂窝夹层结构采用等效结构建模 型蜂窝夹层构件和模具的几何模型见图 其中 型结构的一侧面板上含有蜂窝夹层一侧面板不含 型结构的边长为 宽度为 不含蜂窝处的厚度为.圆角半径 采用含蜂窝一侧的面板回弹量 衡量固化变形值200 mm17
6、0 mm120 mm160 mm230 mm300 mmR10图 型蜂窝夹层复合材料构件的几何模型.基本方程在热固性树脂基复合材料的固化过程中会发生相互耦合的热反应与化学反应其数学模型可根据 热传导定律结合能量平衡原理表示如下:()()()()式中:为复合材料的密度 为复合材料的比热容、分别为复合材料沿全局坐标系、方向的导热系数上述材料参数可按照混合率计算得到 为某一时刻下的瞬态温度 为固化时间为单位时间内单位体积中内热源的生成热其数值可由下式确定()()式中:为树脂密度为纤维的体积分数/为树脂的固化反应速率为树脂的总反应热固化动力学方程:()()()式中:为频率因子 为活化能 为普适气体常数
7、为热力学温度、表示化学反应的级数对复合材料构件变形进行分析时需要利用固化力学本构模型本文利用具有较高的计算精度与效率的 模 型 分 析 复 合 材 料 固 化 变 形 在 模型中在橡胶态和玻璃态时树脂和复合材料的材料性能参数(如弹性模量、热膨胀系数等)均为常数在温度达到玻璃态转变温度 时树脂和复合材料的材料性能参数发生阶跃变化 本构方程为()()为了比信息技术周诗雨等几何因素对蜂窝夹层构件固化变形的影响研究较分析各几何因素对最大变形量的影响程度和趋势并获取最优几何参数组合根据表 中的 随着回弹角随各因素的变化趋势可知随着 的变化当蜂窝靠近 型构件的圆角时构件的回弹角较小 当蜂窝逐渐远离构件圆角
8、时回弹角先增大后减小 随着 逐渐增大构件的回弹角逐渐减小 随着 逐渐增大构件的回弹角先逐渐增大后逐渐减小 结合表 中各几何因素对回弹角的影响程度比较选择最优几何参数组合为:蜂窝相对圆角的距离为 蜂窝倒角为 蜂窝厚度为 即为正交实验中的方案 结语)将蜂窝等效理论应用到复合材料蜂窝夹层构件的固化变形分析中通过有限元软件模拟了构件的固化成型过程该仿真结果与实验结果的最大误差为.平均误差为.)蜂窝倒角对 型蜂窝夹层构件固化变形具有显著影响 随着蜂窝位置逐渐远离圆角回弹角先增大后减小在 处最大随着蜂窝倒角逐渐增大回弹角逐渐减小参考文献:王梓桥王兆慧周秀燕等.民用飞机用蜂窝夹层结构及成型工艺发展现状.纤维
9、复合材料():.程文礼袁超邱启艳等.航空用蜂窝夹层结构及制造工艺.航空制造技术():.花蕾蕾安鲁陵赵一鸣等.复合材料构件成型模具型板改进设计.机械制造与自动化():.郝新超胡杰.蜂窝夹层结构侧向变形机理及蜂窝稳定化.航空制造技术():.毕红艳段友社谢凯文.共固化成型蜂窝夹层结构缺陷分析及工艺改进.航空制造技术():.:.:.袁超.复合材料蜂窝夹层结构 形梁共固化成型技术研究.科技与创新():.杨稳张胜兰李莹.蜂窝夹层结构等效模型研究进展.复合材料科学与工程():.牛春匀(.)美.实用飞机复合材料结构设计与制造.程小全张纪奎译.北京:航空工业出版社.收稿日期:(上接第 页)态阻尼均会增大但低于该
10、激扰频率和幅值时不受影响激扰幅值越大 受影响的频率范围越宽 激扰幅值.、卸荷速度从./增大到./时动态刚度和动态阻尼的最大差异分别增加.和.)保持卸荷速度不变增大静态阻尼曲线卸荷力动态阻尼显著增大激励频率大于 后动态刚度也明显增大且增幅随着激励幅值的增大而增大 卸荷力增大 倍时激励幅值.的动态刚度平均增幅.、动态阻尼平均增幅.激励幅值.时则分别达到.和.参考文献:.:():.杨国桢王福天.机车车辆液压减振器.北京:中国铁道出版社.黄彩虹曾京宋春元.高速列车抗蛇行减振器的简化物理参数模型.铁道学报():.():.王文林.高速列车可调式线性油压减振器的设计理论与应用研究.杭州:浙江大学.徐高新.高速列车油压减振器的参数化建模研究.南昌:南昌大学.黄盈.抗蛇行油行减振器的非线性服役模型及其对电力机车动力学性能的影响.南昌:南昌大学.秦剑生.基于物理参数的抗蛇行减振器力学模型研究.成都:西南交通大学.():.钱立新王成国等.铁道车辆液压减振器的工作原理和数值模型.铁道学报():.(/):.:():./机车车辆油压减振器技术条件.:.收稿日期: