模具設(shè)計(jì)復(fù)合材料成型分析

模具設(shè)計(jì)復(fù)合材料成型分析

摘要：大型復(fù)合材料零件在成型的過程中需要使用到大型框架式模具，這就需要在設(shè)計(jì)時(shí)先用模型建模。在本文中分析了實(shí)際應(yīng)用中模具的應(yīng)力和變形等問題，同時(shí)還對設(shè)計(jì)中的其他問題進(jìn)行了分析，這樣可以確保模具設(shè)計(jì)的高效性和精準(zhǔn)性，讓模具結(jié)構(gòu)能更加符合復(fù)合材料零件成型的需求。

關(guān)鍵詞：模具設(shè)計(jì)；框架式成型；復(fù)合材料

復(fù)合材料具有較好的優(yōu)越性，一直被應(yīng)用于航空領(lǐng)域中，由于飛機(jī)零件需要較高的精確度，同時(shí)它們的尺寸較大，一般會使用復(fù)合材料對其進(jìn)行固化成型。在復(fù)合材料的成型過程中，復(fù)合材料構(gòu)件會直接與模具的型面相接觸，一旦模具發(fā)生變形，構(gòu)件的尺寸和形狀等就會受到影響。模具的尺寸若是較大，那么在其固化的過程中復(fù)合材料的固化質(zhì)量和表面溫度會受到模具型面不均勻的溫度場的影響。當(dāng)前在一些大尺寸的模具成型過程中一般會選擇使用框架式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有著均勻的厚度，同時(shí)通風(fēng)效果較好，能快速升降溫，這些模具中的各個(gè)點(diǎn)可以均勻受熱，模具中的各個(gè)部位就不會因?yàn)樯禍囟l(fā)生變形。在當(dāng)前設(shè)計(jì)框架式模具的過程中，在設(shè)計(jì)多個(gè)支撐框架時(shí)，不僅需要經(jīng)過重復(fù)且繁瑣的操作，同時(shí)操作也較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，設(shè)計(jì)模型需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是模具使用起來較為費(fèi)勁，同時(shí)也不利于校核模型的溫度情況和變形情況，在設(shè)計(jì)模具的過程中就缺乏精準(zhǔn)度同時(shí)也缺乏效率。為了及時(shí)改善該情況，就需要將模具設(shè)計(jì)和更改的效率提高，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中需要進(jìn)行周全的考慮，將復(fù)合材料在制件過程中的固化變形問題解決掉。在設(shè)計(jì)該種框架式的模具時(shí)，應(yīng)建立起一種能進(jìn)行快速更改和建模的方式，并通過有限元分析模型，對模型根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，這樣可以更好地對模具的尺寸和回彈情況進(jìn)行設(shè)計(jì)補(bǔ)償，以便得出最精確的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果。

1建模的快速化方法

如果是框架式的模具成型，它的結(jié)構(gòu)主要包括底板、型面板和吊環(huán)等部分。在設(shè)計(jì)模具的過程中，需要對支撐隔板的數(shù)量、厚度、通風(fēng)口的定位尺寸等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)前，在設(shè)計(jì)模型模具的過程中一般會使用CATIA軟件的方式來進(jìn)行，在建模時(shí)需要首先進(jìn)行產(chǎn)品型面的提取、接合等操作，這樣就形成了模具的型面板；然后再進(jìn)行隔板和隔板上的通風(fēng)孔的制作，它需要通過平面化的編制和繪制草圖及凸臺等操作才能形成，隔板和隔板上的通風(fēng)孔是和型面板相連接的。隔板具有較多的數(shù)量，需要重復(fù)性地進(jìn)行隔板的繪制工作，所需工作量很大，會花費(fèi)設(shè)計(jì)者很多的時(shí)間和精力。但是，通過“產(chǎn)品智能模板”—“創(chuàng)建超級副本”操作就可以將在建模過程中將的繪制草圖、凸臺等命令集中到一個(gè)命令中進(jìn)行集體的封裝。該命令集合在執(zhí)行時(shí)只需要通過操作“從選擇實(shí)例化”就可以了。這樣可以將很多重復(fù)性的操作避免掉，在隔板的繪制和通風(fēng)孔等操作中就可以節(jié)省掉很多時(shí)間。使用其中的“知識工程”—“公式”命令就可以對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整同時(shí)還可以對其進(jìn)行賦值了。在后期只需要對參數(shù)的賦值進(jìn)行變更即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)值的變化，同時(shí)變量間的關(guān)系也可以通過公式的定義來實(shí)現(xiàn)，使得變量能夠基于另一個(gè)變量的變化而變化，這樣可以使得參數(shù)的變量化得以實(shí)現(xiàn)。采用這樣的建模方式，可以實(shí)現(xiàn)對縱向隔板數(shù)量和型面板厚度等參數(shù)進(jìn)行變量化的快速設(shè)計(jì)。此時(shí)，如果合理的更改參數(shù)的數(shù)值，將視圖刷新后，稍微改動一些模型就能達(dá)到設(shè)計(jì)的更改要求了。采用這種方式可以將對框架式模具的建模時(shí)間縮短，同時(shí)可以更加快捷地進(jìn)行模型的更改和設(shè)計(jì)，不僅能提高了更改和設(shè)計(jì)模具的效率，同時(shí)也為有限元模型的分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

2有限元模型分析

在進(jìn)行復(fù)合材料的框架式模具設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來校核模具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在制定通風(fēng)口尺寸和隔板的間距時(shí)，會進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，比如將隔板間距縮小或是將隔板厚度增大等，采用這樣的方法雖然可以對模具的性能進(jìn)行改善，但是因?yàn)樵谥圃炷＞叩倪^程中其周期較長同時(shí)模具的成本較高，會對設(shè)備的使用情況造成影響。需要首先采用有限元分析法對模具的變形情況和應(yīng)力情況進(jìn)行校核，這樣可以很好地確定設(shè)計(jì)模具的可行性，同時(shí)還可對模具設(shè)計(jì)的參數(shù)等在變形和應(yīng)力的情況下進(jìn)行調(diào)整，使得模具能在性能得到滿足的情況下將重量減輕，使得運(yùn)輸和成本等得到降低，此外，還可以有效將制造周期縮短。特別是對一些梁類復(fù)材零件和蒙皮等來說，它們的尺寸相對較大，所以在模具中其主體部分的框架式支撐結(jié)構(gòu)，需要花費(fèi)大量的成本和材料等，這部分費(fèi)用也會被計(jì)算在內(nèi)，需要采用有限元分析的方法將支撐板的結(jié)構(gòu)及尺寸等情況進(jìn)行合理選擇，這樣可以在模具經(jīng)濟(jì)成本降低的基礎(chǔ)上確保好復(fù)材制件的成型質(zhì)量。另外，復(fù)材零件的固化質(zhì)量和表面溫度也會受到模具型面溫度的影響，導(dǎo)致零件出現(xiàn)固結(jié)，模具自身也會因?yàn)榇嬖诘臏囟忍荻榷霈F(xiàn)變形，這就需要掌握好模擬模具固化中的溫度變化情況，可以更好地調(diào)整模具設(shè)計(jì)的可行性，并通過調(diào)整參數(shù)來將溫度場調(diào)整均勻。表1中1號和2號模型，分別采用CITIA對它們進(jìn)行各種工況情況下的分析，使用的模具材料是Q235，不同的邊界條件在不同工況時(shí)如下表2所示，兩個(gè)模型的最大應(yīng)力值和最大變形值，如表3所示。比較1號模型和2號模型發(fā)現(xiàn)，2號模型的型面板要比1號模型的型面板厚度大2mm，支撐板的厚度要大2mm，同時(shí)重量大了179kg。從上表3中可以看出，1號模型的應(yīng)力和變形情況在工況相同的時(shí)候都要大于2號模型，在4種工況下1號模型和2號模型的最大應(yīng)力都要小于Q235的屈服應(yīng)力，其形變是彈性形變，對于1號模型和2號模型來說，它們都能符合設(shè)計(jì)的要求，但是如果選擇的是1號模型，它能更好地將模具的重量減輕，材料成本也能由此得到節(jié)省。在分析模具的變形和溫度分布情況時(shí)，采用CATIA將一個(gè)普通鋼框架式模具模型和熱壓罐模型建立起來，同時(shí)將熱壓罐內(nèi)的區(qū)域劃分為不同的網(wǎng)格。將瞬態(tài)求解設(shè)置在Fluent中，同時(shí)將能量方程開啟出來，這樣可以便于湍流模型的設(shè)置，假定熱壓罐的外壁是絕熱壁，同時(shí)將內(nèi)壁設(shè)置成耦合壁面，根據(jù)其溫度邊界條件將時(shí)間函數(shù)定義好。然后將模具型面上一些關(guān)鍵時(shí)刻點(diǎn)的溫度云圖提取出來，這個(gè)時(shí)候可以看出，如果溫度升高，那么迎風(fēng)面的溫度也就升高，工裝中部就會有著較低的溫度，這樣就會逐漸增大溫差；如果溫度不再升高，其上的溫度差是14.6℃；如果在保溫時(shí)將其降低至0℃；如果是處于溫度降低階段對于迎風(fēng)面來說它的溫度不高，這樣在整個(gè)工裝中部就有著較高的溫度。模具型面在整個(gè)固化過程中其上的溫度都處于均勻分布的狀態(tài)。對于復(fù)材來說，它的制件一般會在保溫的后期發(fā)生固化反應(yīng)，所以工裝型面經(jīng)過了足夠的保溫時(shí)間，其溫度場分布均勻。在對模具的熱變形進(jìn)行分析和計(jì)算的過程中，求解時(shí)可以按照均勻溫度場來進(jìn)行。如果工裝模型的熱變形采用的是ABAQS法進(jìn)行計(jì)算，所用的材料是Q235，其初始溫度設(shè)定是20℃，其最終溫度是180℃，將位移約束添加在模具的四個(gè)腳輪處，將模具的變形量在該溫度場下求解出來。對于模具的熱變形云圖，會在模具的四個(gè)邊角處會出現(xiàn)最大變形，其中最大的變形量達(dá)到了3.3mm。對于一些尺寸較大的鋼材料模具來說，如果要進(jìn)行高溫固化，它的變形量是很大的。

3結(jié)語

為