導(dǎo)語(yǔ)：計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)探討一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：如今復(fù)合材料的質(zhì)量與模具設(shè)計(jì)質(zhì)量具有直接關(guān)系，因此必須不斷提高模具設(shè)計(jì)的水平，并對(duì)先進(jìn)的熱壓罐成型技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用?；诖?，就計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，首先建模方法和知識(shí)構(gòu)建兩方面出發(fā)，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，然后從設(shè)計(jì)流程和板件設(shè)計(jì)分析其設(shè)計(jì)策略，最后就模板的熱分布測(cè)試進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助；復(fù)合材料；模具設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雖然復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)性、抗疲勞性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是在制作時(shí)往往需要投入較大的成本，而且質(zhì)量控制難度較高。為了改變這一情況，必須對(duì)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行有效應(yīng)用，通過(guò)熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)，使復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制作，從而提高復(fù)合材料的制備水平，促進(jìn)行業(yè)的健康長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

1計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)概述

1.1建模方法。為了對(duì)熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)中的模具變形問(wèn)題給予有效解決，需要對(duì)建模的方法進(jìn)行改進(jìn)。以碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料為例，這種材料在生產(chǎn)過(guò)程中存在熱膨脹差異，因此在設(shè)計(jì)并制作磨具時(shí)會(huì)因?yàn)槭軌喊l(fā)生變形?！稄?fù)合材料制件工裝建模要求》中對(duì)計(jì)算機(jī)輔助熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)的流程給予明確說(shuō)明，但是并沒(méi)有對(duì)模具熱膨脹變形情況給予修正，因此必須在此基礎(chǔ)上改進(jìn)建模方法，從而提高模具的設(shè)計(jì)水平。具體來(lái)看，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)知識(shí)庫(kù)技術(shù)、工程數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行有效利用，從中選擇合理的參數(shù)，從而在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行工藝或者生產(chǎn)試驗(yàn)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最終使模具的參數(shù)得到積累，并且實(shí)現(xiàn)精確修正。首先，設(shè)計(jì)人員需要啟動(dòng)UG，并且對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，期間需要插入制件模型；其次，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)造型工藝補(bǔ)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(shè)計(jì)是否已經(jīng)完成，如果沒(méi)有完成就返回上方步驟，如果已經(jīng)完成就生成二維圖，并且對(duì)模型進(jìn)行檢查，判斷模型是否合格。這這一流程中要重點(diǎn)關(guān)注造型工藝補(bǔ)加曲面和模板曲面，首先判斷是否做過(guò)相近制作，如果做過(guò)則對(duì)初始條件和邊界條件進(jìn)行設(shè)置，如果沒(méi)做過(guò)就制作結(jié)構(gòu)，并且進(jìn)行材料有限元建模，然后再通過(guò)分析計(jì)算、變形結(jié)果預(yù)測(cè)等步驟修正參數(shù)，最后儲(chǔ)存結(jié)果。1.2知識(shí)構(gòu)建。1.2.1熱壓罐成型工藝。在利用熱壓罐成型工藝設(shè)計(jì)復(fù)合材料的模具時(shí)，由于受到熱膨脹和模具型面壓力載荷的影響，模具會(huì)出現(xiàn)變形、翹曲等情況，而造成這些現(xiàn)象發(fā)生的工藝參數(shù)因素主要包括以下幾個(gè)方面：其一，熱壓罐會(huì)對(duì)模具施加真空壓力和氣體壓力，從而造成壓力負(fù)載現(xiàn)象；其二，加熱器的溫度會(huì)發(fā)生變化，從而造成溫度負(fù)載現(xiàn)象。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，如果對(duì)模具自身的長(zhǎng)度、寬度、厚度、剛度等因素進(jìn)行調(diào)整，就能夠使壓力負(fù)載得到一定程度的緩解，但是并不能解決溫度負(fù)載問(wèn)題，因此需要對(duì)模具模板的型面進(jìn)行調(diào)整。1.2.2框架式模具設(shè)計(jì)。為了使模具型面得到精確的調(diào)整，可以對(duì)有限元模擬方法進(jìn)行有效利用，從而使模具的變形情況得到有效預(yù)測(cè)。在獲得模具的變形量后，就可以應(yīng)用反變形法修正模具的型面參數(shù)。另外，也可以對(duì)知識(shí)庫(kù)技術(shù)、工程數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行有效利用，從而構(gòu)建模具變形的計(jì)算元模型，最終對(duì)型面參數(shù)進(jìn)行修正[1]。

2計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)的策略

2.1設(shè)計(jì)流程。在利用計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)時(shí)，可以從兩個(gè)方面開(kāi)展工作，分別是模具的型面設(shè)計(jì)和模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。就模具的型面設(shè)計(jì)來(lái)看，設(shè)計(jì)人員首先要對(duì)模具型面的變形情況進(jìn)行模擬和分析，然后獲得精確的變形修正參數(shù)，并將此參數(shù)作為模具設(shè)計(jì)的依據(jù)。這種設(shè)計(jì)方法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，避免在制作完成后進(jìn)行返工和調(diào)整，從而使精力和資源遭受浪費(fèi)；就模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，主要對(duì)模具型面的支撐結(jié)構(gòu)及等距進(jìn)行分析，從而評(píng)價(jià)其可加工性。2.2板件模具設(shè)計(jì)。2.2.1設(shè)計(jì)過(guò)程。模具模板的結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的構(gòu)件結(jié)構(gòu)之間具有密不可分的關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)該做到以下兩點(diǎn)：其一，對(duì)模具成型曲面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。為此必須對(duì)熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)的傳熱規(guī)律給予全面掌握，并且分析模具發(fā)生變形的具體情況及背后原因，從而使參數(shù)得到合理修正。為了避免模具發(fā)生變形現(xiàn)象，應(yīng)該對(duì)成型曲面進(jìn)行幾何補(bǔ)償；其二，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，為此設(shè)計(jì)人員要緊密結(jié)合實(shí)踐工作的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)取點(diǎn)方式對(duì)曲面輪廓線進(jìn)行劃分，從而形成模板的外形輪廓。對(duì)于模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量而言，設(shè)計(jì)人員的知識(shí)體系構(gòu)建具有至關(guān)重要的影響，因此在具體設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)較多不確定因素，為此需要重視以下幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：其一，設(shè)計(jì)人員要保證數(shù)模與模板外形之間具有相似性；其二，設(shè)計(jì)人員要盡可能節(jié)約模板的制造材料；其三，設(shè)計(jì)人員要綜合考慮模具機(jī)械加工時(shí)的具體情況，從而便于結(jié)構(gòu)裝夾；其四，設(shè)計(jì)人員要對(duì)現(xiàn)有的加工條件進(jìn)行有效利用，從而提高模具的設(shè)計(jì)水平。2.2.2設(shè)計(jì)要求。板件模具的設(shè)計(jì)要求主要包括以下幾個(gè)方面：其一，要在外翼面進(jìn)行貼膜；其二，要對(duì)框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效利用，從而保障工裝的傳熱性能、通風(fēng)性能和氣密性能；其三，要對(duì)工裝工作面的粗糙度進(jìn)行有效控制，將數(shù)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(guò)度外延和總體表面外延分別為300毫米和100毫米；其五，要對(duì)檢驗(yàn)靶標(biāo)安裝孔進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，通過(guò)激光投影進(jìn)行定位，確定靶標(biāo)的坐標(biāo)值及模具的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)；其六，對(duì)吊裝掛點(diǎn)及叉車孔進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。本次板件模具的設(shè)計(jì)主要將溫度場(chǎng)及型面設(shè)計(jì)的精度作為依據(jù)，從而使模具的背部支撐設(shè)計(jì)更加合理。就復(fù)合材料板件設(shè)計(jì)與制造的外形輪廓來(lái)看，其長(zhǎng)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(shù)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(wěn)定性。為了對(duì)制造材料進(jìn)行有效節(jié)約，同時(shí)降低模具的熱容量，將板件模具的成型面框架結(jié)構(gòu)厚度設(shè)置為5~8毫米。最終模具的參數(shù)如下所示：框格的長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為300毫米、300毫米和10毫米；型面的長(zhǎng)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(cè)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(xiàn)象發(fā)生，必須對(duì)成型模板進(jìn)行熱分布測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中需要監(jiān)控模具不同溫度區(qū)域的變化情況，避免發(fā)生極端高溫或者低溫現(xiàn)象，從而使構(gòu)建的固化質(zhì)量受到影響，為此可以將熱電偶設(shè)置在模具的周邊區(qū)域，以此作為溫度監(jiān)控設(shè)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(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)溫度差為15℃，這時(shí)需要對(duì)模具位置進(jìn)行調(diào)整。在利用熱壓罐成型技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，罐口位置比罐底先受熱，因此要控制模具在罐口的受熱時(shí)間，盡可能減少模具兩端受熱的時(shí)間差，從而使受熱更加均勻[3]。

3結(jié)論

綜上所述，針對(duì)計(jì)算機(jī)輔助復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)的探究是非常必要的。利用熱壓罐成型法進(jìn)行工藝生產(chǎn)時(shí)必須注重模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量，為此需要合理選擇設(shè)備、工藝、工裝等參數(shù)，在模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上確定復(fù)合材料構(gòu)建的幾何尺寸。在這一過(guò)程中，必須綜合考慮熱壓罐工藝成型模具設(shè)計(jì)的工藝環(huán)境，從而使溫度場(chǎng)均勻性條件滿足設(shè)計(jì)需要。希望本文能夠?yàn)檠芯窟@一課題的相關(guān)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]陳磊.復(fù)合材料熱壓罐成型固化回彈變形預(yù)測(cè)及其優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2017.

[2]楊攀.碳纖維復(fù)合材料熱固化變形規(guī)律研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué),2017.

[3]傅承陽(yáng).飛機(jī)復(fù)合材料制件熱壓罐成型溫度場(chǎng)模擬與改善方法[D].南京：南京航空航天大學(xué),2013.

作者:郭友利 唐 勇 單位:南京模擬技術(shù)研究所