熱壓罐工藝溫度場研究綜述

熱壓罐工藝溫度場研究綜述

1熱壓罐的尺寸、長度和厚度熱壓罐法是研究和制造高質(zhì)量先進(jìn)合金材料材料的主要工藝方法之一?，F(xiàn)今,先進(jìn)航空復(fù)合材料構(gòu)件的長度、寬度和厚度尺寸越來越大,為了適應(yīng)這些構(gòu)件的制造需求,熱壓罐的直徑和長度也越來越大。近來,美國已經(jīng)用號稱全球最大的熱壓罐(工作區(qū)面積為Φ9×23m)來制造B787復(fù)合材料機(jī)身段,見圖1。因此,隨著先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件尺寸和熱壓罐設(shè)備尺寸的變大,與之緊密相關(guān)的成型溫度場備受科研工作者和工程技術(shù)人員的重視和關(guān)心。2熱壓罐工藝成型時(shí)溫度場分布在熱壓罐工藝中,以電熱阻絲作為加熱源,以流體介質(zhì)(低溫一般為空氣,高溫為惰性氣體)作為傳熱載體,以風(fēng)機(jī)作為動力,完成對模具進(jìn)行循環(huán)加熱過程;降溫時(shí)通過循環(huán)水帶走熱量來完成。溫度比較高時(shí),熱壓罐罐壁蓄熱比較大,無論是升溫過程還是降溫過程在罐壁和框架式模具間都會發(fā)生熱輻射。在熱歷程中,框架式模具內(nèi)部各點(diǎn)總會出現(xiàn)溫度差異從而引起其內(nèi)部熱傳導(dǎo)發(fā)生,整個(gè)過程如圖2所示。先進(jìn)航空復(fù)合材料構(gòu)件采用熱壓罐工藝成型時(shí),在升溫過程中熱源有兩個(gè):一個(gè)是電熱源(熱阻絲),另一個(gè)是內(nèi)熱源(樹脂基復(fù)合材料固化放熱),熱源的熱量傳遞路徑見圖3。熱壓罐工藝成型先進(jìn)復(fù)合材料航空構(gòu)件時(shí),在降溫過程中材料固化反應(yīng)幾乎已經(jīng)完全結(jié)束,所以可以忽略內(nèi)熱源。此時(shí),熱量主要通過傳熱載體(一般為氣體)向冷水管傳遞。降溫時(shí)的熱量傳遞路徑見圖4。從以上分析可以看出,先進(jìn)復(fù)合材料航空構(gòu)件采用熱壓罐工藝成型時(shí),其溫度場分布是一個(gè)非常復(fù)雜的問題,常常按兩種研究途徑來進(jìn)行,分別為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試。按研究對象分三個(gè)層次來研究,分別為熱壓罐溫度場、框架式模具溫度場和構(gòu)件溫度場。在這里,我們分別從三個(gè)層次來綜述熱壓罐成型時(shí)溫度場的研究現(xiàn)狀。3模擬和實(shí)驗(yàn)測試熱壓罐工藝的溫度場研究通常主要采用兩種途徑來進(jìn)行:數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試。兩種途徑根據(jù)實(shí)際需求不同各有自身的優(yōu)缺點(diǎn),見表1,而且兩種途徑的優(yōu)劣常?；檠a(bǔ)充。4熱壓罐技術(shù)的溫度場4.1熱壓罐溫度場模擬美國波音標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于熱壓罐溫度場均勻性規(guī)定:對于每約283.17m3(10000立方英尺)及其以下的熱壓罐區(qū)域,如圖5所示放置9個(gè)熱電偶,以大約5.5℃/min的速率將罐溫加熱至127℃(或182℃)。在控制熱電偶達(dá)到127℃(或182℃)后的10min內(nèi)使熱壓罐進(jìn)入保溫狀態(tài),每個(gè)熱電偶的讀數(shù)應(yīng)為127±5.5℃(或182±5.5℃)。加拿大AndrewJohnston等通過實(shí)驗(yàn)測量三種規(guī)格熱壓罐熱歷程的傳熱系數(shù)來預(yù)測熱壓罐溫度場分布,分析壓力可以明顯改善熱壓罐溫度場的均勻性和縮短熱歷程時(shí)間。國內(nèi)昌飛公司賈成貴等對有效尺寸Φ2.6×8.0m的熱壓罐通過強(qiáng)循環(huán)氣體加熱,當(dāng)存在壓力時(shí)實(shí)驗(yàn)測得溫度均勻度為±1.5℃。北京航空制造工程研究所對有效尺寸Φ3.5×9.0m的熱壓罐通過強(qiáng)循環(huán)氣體加熱,當(dāng)存在壓力達(dá)200℃時(shí)實(shí)驗(yàn)測得溫度均勻度為±1.8℃。從以上可以看出,熱壓罐空載溫度場均勻度都比較小,研究比較成熟,已經(jīng)形成工程化的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。4.2模具工裝制造美國Gniatczyk等指出從模具溫度場均勻性角度考慮把復(fù)合材料成型模具做成“蛋箱”形的框架式模具。MichaelC.Y.Niu在介紹模具工裝制造時(shí)指出“蛋箱”形框架式模具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn),減重和加速模具底部傳熱。國內(nèi)梁憲珠等指出框架式模具“結(jié)構(gòu)厚度均勻,通風(fēng)好,升降溫快,有利于模具各點(diǎn)溫度均勻,可減小模具在升降溫過程中因各部位溫度不一樣引起的模具變形”。陳喚民等指出框架式模具“重量輕,熱容量小,熱傳導(dǎo)效果好,溫度場較均勻”。但是,根據(jù)最近所查文獻(xiàn),無論是通過數(shù)值模擬還是實(shí)驗(yàn)手段,都未對框架式模具溫度場的傳熱機(jī)理、傳熱路徑和影響因素及其影響規(guī)律進(jìn)行深入研究。4.3組件溫度場4.3.1國外材料廳的研究現(xiàn)狀和研究(1)厚截面層板溫度與溫度變化規(guī)律LossandSpringer推導(dǎo)了單向AS4/環(huán)氧復(fù)合材料平直板制造工藝的一維模擬模型:熱-化學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)當(dāng)層板厚度超過1.27cm后,將出現(xiàn)不可接受的溫度梯度和比較差的壓實(shí)度。對厚度為3.56cm的復(fù)合材料構(gòu)件在不同固化歷程下的固化情況進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料壓實(shí)后,固化前緩慢的升溫速率能夠?qū)囟忍荻瓤刂圃谠试S的范圍內(nèi),但制造時(shí)間增加了27%。Kays對大面積厚截面層板進(jìn)行了綜合研究,推導(dǎo)了1-D固化模擬模型,評價(jià)了各種熱壓罐程序、固化監(jiān)測和無損檢測技術(shù),分析了幾何形態(tài)對固化厚截面層板的貢獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)制造工藝對厚截面復(fù)合材料內(nèi)部微裂紋的發(fā)展和脫膠有顯著影響。Twardowski等對厚截面(大于等于5cm)層板的溫度分布、固化度以及粘度進(jìn)行了1-D模擬,并和層板溫度的直接測量值進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)初始固化度對層板溫度的影響不大,而壓實(shí)則對層板的溫度、固化度以及粘度曲線有明顯影響。指出了厚層合板在固化中溫度梯度會導(dǎo)致粘性和固化度的各向異性,溫度峰值首先出現(xiàn)在層板表面附近,然后逐漸向中央移動達(dá)到最大值。Bogetti與Giliespie研究了熱固性厚截面復(fù)合材料的二維固化模擬,他們考慮了熱傳導(dǎo)與固化動力學(xué)的耦合,預(yù)測了任意橫截面位置的溫度、固化度分布和熱壓罐溫度的關(guān)系。Shin研究了厚截面復(fù)合材料的智能工藝,不但給出了工藝模型,還考慮了輔助材料(吸膠布)對溫度場的影響。將數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)隨著構(gòu)件厚度的增加,二者的離散程度變大。(2)熱傳導(dǎo)模型的建立與有限差分法比較,采用有限元法研究復(fù)合材料制造工藝有很多優(yōu)勢,用有限元法進(jìn)行研究的文獻(xiàn)有很多。Blest等研究了熱壓罐固化多鋪層熱固性樹脂基復(fù)合材料的熱傳遞模型和模擬,認(rèn)為數(shù)值模型和已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較近似有效。Antonucci等專門研究了熱壓罐法制造厚截面復(fù)合材料,考慮了熱壓罐空氣溫度與真空袋以及模板之間的熱交換。Yi等用非線性瞬態(tài)熱傳遞模型模擬熱固性樹脂基復(fù)合材料的制造工藝,通過求解包含內(nèi)熱源的非線性各向異性熱傳導(dǎo)方程得到層板內(nèi)的溫度分布。OhJHandLee等用通用有限元軟件包對熱壓罐制造樹脂基復(fù)合材料過程溫度的變化進(jìn)行了模擬,從含有非線性內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo)方程出發(fā),建立了用于分析復(fù)合材料制造過程中熱傳導(dǎo)問題的有限元公式,進(jìn)而結(jié)合固化反應(yīng)放熱機(jī)理,以通用有限元軟件包ANSYS為依托,用制造一般厚度樹脂基復(fù)合材料的固化歷程對厚度分別為1cm、2cm構(gòu)件制造過程中的溫度場進(jìn)行了模擬,同時(shí)對厚截面玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料層板進(jìn)行了3-D模擬固化,給出了構(gòu)件內(nèi)部的溫度場以及樹脂內(nèi)的壓力場。分析了吸膠布數(shù)量、模板厚度以及真空袋與熱壓罐內(nèi)環(huán)境溫度的有效熱交換系數(shù)等輔助材料對溫度場的影響。(3)模型的關(guān)于真空袋組件、模板以及樹脂流動對熱傳導(dǎo)的影響熱壓罐法制造復(fù)合材料時(shí),輔助材料是必不可少的,如真空袋、密封膠帶、透氣氈、脫膜布、吸膠布、模板以及壓敏膠帶,它們在獲得良好纖維與樹脂界面、均勻的樹脂分布、低的空隙含量和精確的幾何尺寸等方面起著重要作用。所以在考慮復(fù)合材料制造過程的模型時(shí)應(yīng)該考慮輔助材料的影響。BogettiandGillespie通過定義和控制有效熱傳遞參數(shù)h/keff來考慮真空袋組件、模板以及樹脂流動對玻璃/聚酯復(fù)合材料制造工藝的影響。但是這一對流邊界條件并不能準(zhǔn)確模擬輔助材料的影響,因?yàn)橛行醾鬟f參數(shù)取決于模板、成型膜具厚度以及吸膠層和真空袋組件的幾何形狀等。YiandHilton的研究也發(fā)現(xiàn)真空袋組件對溫度和固化度有顯著影響。V.Antonucci等人分析固化材料與熱壓罐環(huán)境之間的熱傳導(dǎo),提出了一種在線控制熱壓罐中熱傳導(dǎo)的一種新方法并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,分別在考慮和不考慮固化反應(yīng)放熱的情況下,提出了簡化的熱傳導(dǎo)模型,并在機(jī)翼壁板上得以應(yīng)用及驗(yàn)證。固化反應(yīng)開始前用此方程來計(jì)算對流換熱系數(shù),并用來預(yù)測程控?zé)釅汗蘖黧w溫度的熱分布圖。4.3.2材料非線性熱層合技術(shù)國內(nèi)對復(fù)合材料溫度場研究并不多。大連理工大學(xué)陳浩然的研究組對這方面做過系統(tǒng)的研究,但是他們的研究多集中在數(shù)值模擬和已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較上,對物性參數(shù)、輔助材料的影響僅僅做了簡單的分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所智能結(jié)構(gòu)組對復(fù)合材料的成型工藝也進(jìn)行了系統(tǒng)研究。特別是對厚截面復(fù)合材料的溫度場進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在構(gòu)件內(nèi)部存在嚴(yán)重的溫度梯度,而且隨著厚度的增加,溫度梯度增大。南航左德峰等人研究了復(fù)合材料熱固化過程中溫度場分布的數(shù)學(xué)模型,利用有限元方法結(jié)合oop(objectorientedprogramming目標(biāo)定向程序)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料固化過程中溫度場的數(shù)值模擬,討論了板厚、升溫速率等因素對溫度分布的影響,固化過程的升溫速率應(yīng)根據(jù)復(fù)合材料層板的厚度來選擇以保證溫度的均勻分布。胡訓(xùn)傳等用1-D有限元模型對彈翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性、瞬態(tài)溫度場計(jì)算,其中考慮了材料熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化的相關(guān)性。楊自春研究了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、對流換熱系數(shù)及比熱容等熱物性參數(shù)隨溫度變化的層合板的非線性熱傳導(dǎo)問題。通過數(shù)值算例分析材料非線性對復(fù)合材料層合板非線性熱傳導(dǎo)瞬態(tài)溫度場有顯著影響?；谝浑A熱層合理論,得出了復(fù)合材料層合板瞬態(tài)溫度場有限元方程及逐步積分算法。按照該方法我們可以導(dǎo)出高階熱層合理論,考慮材料非線性時(shí)層合板瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度場分析的非線性高階熱層合理論和其有限元方程。目前,北航張紀(jì)奎等對熱固性復(fù)合材料固化中溫度場進(jìn)行了三維有限元分析,他們根據(jù)熱傳導(dǎo)和固化動力學(xué)理論,采用三維有限元法對正交各向異性復(fù)合材料層合板固化過程的溫度和固化歷程及變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。復(fù)合材料層合板由于外部環(huán)境和本身固化反應(yīng)化學(xué)放熱引起層合板內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度,不均勻的溫度場引起殘余應(yīng)力和殘余變形,這是導(dǎo)致復(fù)合材料早期破壞的根本原因。除了上述用有限元模型預(yù)測的方法研究解決厚截面復(fù)合材料制造過程中出現(xiàn)的溫度梯度及其導(dǎo)致的固化度不均,還有一些其它方法研究,如預(yù)吸膠技術(shù)、增加降溫和再升溫法等?？v觀這些研究發(fā)現(xiàn),以有限元模型為基礎(chǔ)的預(yù)測占大多數(shù)。另外,白樹成等通過實(shí)驗(yàn)的方式對熱壓罐工藝成型大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件的溫度場均勻性進(jìn)行控制,滿足了構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸精度。但是,上述構(gòu)件溫度場的研究大多數(shù)都是基于層合板或者蒙皮級構(gòu)件而言,對壁板級和盒段級構(gòu)件研究特別是數(shù)值模擬研究比較少。5熱壓罐溫度場驗(yàn)收通過分析熱壓罐