計算機輔助復合材料模具設計探討

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摘要：如今復合材料的質量與模具設計質量具有直接關系，因此必須不斷提高模具設計的水平，并對先進的熱壓罐成型技術進行有效應用。基于此，就計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計進行研究，首先建模方法和知識構建兩方面出發，對計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計進行簡要概述，然后從設計流程和板件設計分析其設計策略，最后就模板的熱分布測試進行探討。

關鍵詞：計算機輔助；復合材料；模具設計

隨著社會科學技術水平的不斷提升，復合材料在現代工業領域得到廣泛應用。雖然復合材料在結構穩定性、設計性、抗疲勞性等方面具有顯著優勢，但是在制作時往往需要投入較大的成本，而且質量控制難度較高。為了改變這一情況，必須對先進的計算機輔助軟件進行有效應用，通過熱壓罐成型模具設計，使復合材料實現數字化制作，從而提高復合材料的制備水平，促進行業的健康長遠發展。

1計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計概述

1.1建模方法。為了對熱壓罐成型模具設計中的模具變形問題給予有效解決，需要對建模的方法進行改進。以碳纖維增強樹脂基復合材料為例，這種材料在生產過程中存在熱膨脹差異，因此在設計并制作磨具時會因為受壓發生變形。《復合材料制件工裝建模要求》中對計算機輔助熱壓罐成型模具設計的流程給予明確說明，但是并沒有對模具熱膨脹變形情況給予修正，因此必須在此基礎上改進建模方法，從而提高模具的設計水平。具體來看，設計人員必須對知識庫技術、工程數據庫等進行有效利用，從中選擇合理的參數，從而在計算機上進行工藝或者生產試驗，并且對實驗的結果進行對比分析，最終使模具的參數得到積累，并且實現精確修正。首先，設計人員需要啟動UG，并且對工作環境進行設置，期間需要插入制件模型；其次，設計人員應該對造型工藝補加曲面和模板曲面，并且建立支撐架，完成模具裝配；第三，判斷三維設計是否已經完成，如果沒有完成就返回上方步驟，如果已經完成就生成二維圖，并且對模型進行檢查，判斷模型是否合格。這這一流程中要重點關注造型工藝補加曲面和模板曲面，首先判斷是否做過相近制作，如果做過則對初始條件和邊界條件進行設置，如果沒做過就制作結構，并且進行材料有限元建模，然后再通過分析計算、變形結果預測等步驟修正參數，最后儲存結果。1.2知識構建。1.2.1熱壓罐成型工藝。在利用熱壓罐成型工藝設計復合材料的模具時，由于受到熱膨脹和模具型面壓力載荷的影響，模具會出現變形、翹曲等情況，而造成這些現象發生的工藝參數因素主要包括以下幾個方面：其一，熱壓罐會對模具施加真空壓力和氣體壓力，從而造成壓力負載現象；其二，加熱器的溫度會發生變化，從而造成溫度負載現象。實踐發現，如果對模具自身的長度、寬度、厚度、剛度等因素進行調整，就能夠使壓力負載得到一定程度的緩解，但是并不能解決溫度負載問題，因此需要對模具模板的型面進行調整。1.2.2框架式模具設計。為了使模具型面得到精確的調整，可以對有限元模擬方法進行有效利用，從而使模具的變形情況得到有效預測。在獲得模具的變形量后，就可以應用反變形法修正模具的型面參數。另外，也可以對知識庫技術、工程數據庫等進行有效利用，從而構建模具變形的計算元模型，最終對型面參數進行修正[1]。

2計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計的策略

2.1設計流程。在利用計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計時，可以從兩個方面開展工作，分別是模具的型面設計和模具的結構設計。就模具的型面設計來看，設計人員首先要對模具型面的變形情況進行模擬和分析，然后獲得精確的變形修正參數，并將此參數作為模具設計的依據。這種設計方法能夠及時發現模具設計存在的問題，避免在制作完成后進行返工和調整，從而使精力和資源遭受浪費；就模具的結構設計來看，主要對模具型面的支撐結構及等距進行分析，從而評價其可加工性。2.2板件模具設計。2.2.1設計過程。模具模板的結構與復合材料的構件結構之間具有密不可分的關系，因此在設計中應該做到以下兩點：其一，對模具成型曲面進行合理設計。為此必須對熱壓罐成型模具設計的傳熱規律給予全面掌握，并且分析模具發生變形的具體情況及背后原因，從而使參數得到合理修正。為了避免模具發生變形現象，應該對成型曲面進行幾何補償；其二，對模具結構進行合理設計，為此設計人員要緊密結合實踐工作的經驗，通過取點方式對曲面輪廓線進行劃分，從而形成模板的外形輪廓。對于模具的設計質量而言，設計人員的知識體系構建具有至關重要的影響，因此在具體設計中會出現較多不確定因素，為此需要重視以下幾個設計要點：其一，設計人員要保證數模與模板外形之間具有相似性；其二，設計人員要盡可能節約模板的制造材料；其三，設計人員要綜合考慮模具機械加工時的具體情況，從而便于結構裝夾；其四，設計人員要對現有的加工條件進行有效利用，從而提高模具的設計水平。2.2.2設計要求。板件模具的設計要求主要包括以下幾個方面：其一，要在外翼面進行貼膜；其二，要對框架式結構進行有效利用，從而保障工裝的傳熱性能、通風性能和氣密性能；其三，要對工裝工作面的粗糙度進行有效控制，將數值保持在1.6；其四，要保障模具封裝及制造的便利性，使模具的光滑過度外延和總體表面外延分別為300毫米和100毫米；其五，要對檢驗靶標安裝孔進行合理設計，通過激光投影進行定位，確定靶標的坐標值及模具的最高點和最低點；其六，對吊裝掛點及叉車孔進行設計，便于模具的吊掛及入罐操作，并且將耐高溫漆涂刷在模板和框架的表面[2]。2.2.3模具設計。本次板件模具的設計主要將溫度場及型面設計的精度作為依據，從而使模具的背部支撐設計更加合理。就復合材料板件設計與制造的外形輪廓來看，其長和寬分別為9820毫米和2320毫米，制作材料使用的是INVAR鋼材，由于殷鋼和碳纖維的熱膨脹系數分別為2.810m/(m•℃)和2.710m/(m•℃)，因此二者差距較小，更有利于模具的穩定性。為了對制造材料進行有效節約，同時降低模具的熱容量，將板件模具的成型面框架結構厚度設置為5~8毫米。最終模具的參數如下所示：框格的長度、寬度和厚度分別為300毫米、300毫米和10毫米；型面的長度、寬度和厚度分別為9820毫米、2320毫米和8毫米。2.2.4熱分布測試。為了使模具模板的溫度均勻性得到保障，從而避免變形、翹曲等現象發生，必須對成型模板進行熱分布測試。在測試過程中需要監控模具不同溫度區域的變化情況，避免發生極端高溫或者低溫現象，從而使構建的固化質量受到影響，為此可以將熱電偶設置在模具的周邊區域，以此作為溫度監控設備，例如在熱壓罐的罐口位置，溫度必然最高，而罐底位置溫度最低，經過測量發現溫度差為15℃，這時需要對模具位置進行調整。在利用熱壓罐成型技術進行模具設計時，罐口位置比罐底先受熱，因此要控制模具在罐口的受熱時間，盡可能減少模具兩端受熱的時間差，從而使受熱更加均勻[3]。

3結論

綜上所述，針對計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計的探究是非常必要的。利用熱壓罐成型法進行工藝生產時必須注重模具的設計質量，為此需要合理選擇設備、工藝、工裝等參數，在模具設計系統的基礎上確定復合材料構建的幾何尺寸。在這一過程中，必須綜合考慮熱壓罐工藝成型模具設計的工藝環境，從而使溫度場均勻性條件滿足設計需要。希望本文能夠為研究這一課題的相關人員提供參考。

參考文獻

[1]陳磊.復合材料熱壓罐成型固化回彈變形預測及其優化[D].長沙：湖南大學,2017.

[2]楊攀.碳纖維復合材料熱固化變形規律研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學,2017.

[3]傅承陽.飛機復合材料制件熱壓罐成型溫度場模擬與改善方法[D].南京：南京航空航天大學,2013.

作者:郭友利 唐 勇 單位:南京模擬技術研究所