基于测量数据的复合材料U型构件固化变形补偿方法研究

基于测量数据的复合材料 U型构件固化变形补偿方法研究

彭艳敏，杨亮，苟国庆，王思蕾，罗枭

中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西西安 710089

【摘要】复合材料具有优越的材料性能，但也随之带来材料固化变形的弊端。本文针对复合材料构件固化成型后的变形问题，以复合材料实物U型构件为研究对象，分析产生固化变形的原因，通过测量手段获得固化变形数据，进行基于实测数据的复合材料构件固化变形补偿方法，为复合材料构件的固化补偿及精确成形提供了技术支持。

关键字：复合材料 固化变形 测量数据 补偿修正

复合材料具有优越的可设计性、抗疲劳、抗腐蚀以及轻质高强的特点。复合材料成型是一系列复杂的物理、化学反应交织影响、相互耦合作用的结果。在固化过程中，由于材料各向异性及复杂的固化温度梯度变化，不仅造成复合材料的固化不均匀，而且在复合材料构件内部引起残余应力，导致复合材料构件的固化变形。如何提高复合材料构件尺寸精度，减小其制造过程中的固化变形，是实现部件之间无应力精准对接装配，提高大飞机结构安全性的重要保证，也是制造环节需要解决的核心关键问题。

1 复合材料构件固化变形问题分析

复合材料构件的固化变形是指其在完成固化成型后，在室温下的自由形状与期望的理想形状之间不一致的现象，如图1所示。复合材料的固化变形产生的原因主要有三大类：由热膨胀系数不一致引起的变形、固化收缩变形以及模具与复材构件之间的相互作用导致的变形。

图1、 复合材料构件固化变形示意图

从固化变形的发生机理来看，一般可以分为内因和外因：内因主要指材料的各向异性、几何结构和铺层设计等因素；外因主要与固化工艺和成型工装模具有关。这些因素在固化过程中共同作用，在复合材料内部产生残余应力累积，最后脱模时参与应力集中释放，从而导致结构发生变形。复合材料构件固化过程总变形量，可以用式（1）来表示。

_（1）

式中：

——固化过程总固化变形量；

——几何结构因素引起的固化变形；

——热变形不一致引起固化变形；

——成型工装模具引起固化变形；

——其他因素引起零件变形；

2、基于实测数据的复合材料构件固化变形补偿修正算法

传统的控制固化变形的方法主要有两类。第一类方法从影响复合材料固化变形的因素入手，通过减少成形后的变形量来保证复合材料构件的精度，例如材料特性、铺层取向及结构形式、厚度等；调整复合材料构件成型固化曲线参数，包括温度、压力的设定，保温时间、压力加压和泄压时机、升温和降温的速率，以及升压和降压的速率，此外还有温度传感器的设定等环节。通过合理的铺层工艺参数以减小固化变形量。这一类方法的应用受到材料性能和复合材料成型工艺条件的限制。

另一类方法不改变材料固化变形量，通过有限元数值模拟预测或实测回弹量的大小，利用修正成型工装模具形状使回弹后的零件形状恰好符合设计要求，称为模具型面几何补偿法。

通过有限元数值模拟预测或测量手段获取复合材料构件固化变形的特征(外形)数据，反向修正模具型面。间接完成对复合材料构件的固化变形补偿修正，称之为后置补偿。

首先用初始产品建立模具形状（对于第一次循环来说，成形模具形状和期望设计形状相同）将复合材料成形并测量得到零件首次外形。将此零件固化变形形状与期望设计形状比较，如果形状误差超出容差范围，依据测量实物数据反向修正模具形状，得到新的模具型面形状。在下一个循环中，用新补偿模具形状再成形复合材料零件，如果成形零件的形状与目标形状误差仍超出允许容差范围，将这次测量数据偏差反向补偿上次模具型面，再一次得到新一轮成型模具形状，直到成形的零件形状满足容差要求。如图3所示为复合材料模具型面补偿修正流程。模具型面补偿修正的位移反向补偿算法，具有收敛速度快、易于实现的优点。

3、实例分析

以飞机结构中常见的复合材料U型构件为研究对象，分析几何结构、铺层方式和模具作用等影响因素，运用测量手段，获取固化变形后的几何数据，反向修正变形数据，得到复合材料构件的修正模型，进而修正成型工装模具。最终得到合格复合材料构件。并与补偿前的实测数据对比分析，验证补偿算法的有效性。复合材料修形实测数据来源于激光跟踪仪获取的点位数据（含理论零件待测面点位数据和实测零件点位数据）。

图3、模具型面补偿修正流程

1)、预先在Excel软件中对原始测量数据进行数据格式处理，满足输入导入程序的需要，如图4所示。

2)、假设理论位置标定点 ，实际测量标定点 ，固化补偿点

_：

式中：

为固化修形系数（或迭代系数）

3)、将补偿数据通过CATIA二次开发程序导入CATIA工程软件。

依据实测数据建立变形后参数线，通过合适的边界条件分别创建补偿模型修正前后的边界条件域，由补偿前的边界条件域传递到补偿后的边界条件域，获得补偿后的复合材料构件固化变形修正数模。

基于上述复合材料构件实际补偿值和数模补偿的基本原理，将通过通用商业软件即可完成变形的模型补偿。

4 总结

复合材料构件在固化成型中过程由于诸多内在或外在原因，导致构件变形超差的现实生产难题。本文对成型后实物构件通过合理的测量手段、测量系统规划获取变形后的构件几何信息集，利用基于实测数据的复合材料构件固化变形补偿修正算法以及快速建模技术，进行复合材料构件的迭代修形。通过实际生产过程的反馈信息，此方法可以高效快速解决固化成型中的变形问题，取得较好的实际应用效果。

参考文献

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