熱壓罐成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可制造性評價方法的研究.pdf

1、復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度高、比剛度大、便于大面積整體成型以及抗腐蝕等的優(yōu)點(diǎn)成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的主要應(yīng)用材料之一，并逐漸向結(jié)構(gòu)整體化、設(shè)計制造集成化的方向發(fā)展。相比傳統(tǒng)的金屬材料，復(fù)合材料構(gòu)件材料形成與結(jié)構(gòu)成形同時完成，設(shè)計師可以根據(jù)需要在極大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形狀與材料性能的優(yōu)化設(shè)計。但是復(fù)合材料所呈現(xiàn)的多層次結(jié)構(gòu)特性，也意味著其制造過程的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬材料，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性差，性能數(shù)據(jù)分散度很大。因此提高工藝質(zhì)量穩(wěn)定性成為復(fù)

2、合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。特別是對于大型整體化結(jié)構(gòu)而言，集成化的制造過程將使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題更加復(fù)雜化。高效的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計必須基于對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝的深入認(rèn)識以及面向制造的設(shè)計（Design for Manufacture, DFM）理念的指導(dǎo)。
　　當(dāng)前人們對于DFM技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了一些值得肯定的研究與知識總結(jié)，但這些研究成果還主要停留在簡單的設(shè)計準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，并沒有形成系統(tǒng)化的復(fù)合

3、材料結(jié)構(gòu)DFM評價知識框架并充分發(fā)揮其設(shè)計指導(dǎo)效用，特別是對應(yīng)復(fù)合材料工藝質(zhì)量指標(biāo)提出的可制造性評價方法的研究尚未出現(xiàn)。必須將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造經(jīng)驗(yàn)與具有普適價值的復(fù)合材料工藝?yán)碚摼o密結(jié)合，構(gòu)建完整、定量化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造知識體系，并且借助于知識庫軟件和計算機(jī)模擬手段，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)品可制造性的定量化評價。本文主要從以下幾個方面進(jìn)行了研究：
　　1.研究復(fù)合材料產(chǎn)品面向制造的設(shè)計過程中的系統(tǒng)化評價方法?；趶?fù)合材料制造工藝特點(diǎn)

4、，提出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可制造性概念的基本內(nèi)涵；完成復(fù)合材料DFM系統(tǒng)框架設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)組成，功能需求和關(guān)鍵技術(shù)；利用特征技術(shù)完成復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)評價對象特征建模，根據(jù)系統(tǒng)評價內(nèi)容提出多層化評價指標(biāo)體系，分析評價知識需求，同時根據(jù)多工序/工步制造過程中產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)間的傳遞關(guān)系，提出了基于工序/工步進(jìn)行的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量評價模型。
　　2.研究熱壓罐成型過程質(zhì)量指標(biāo)體系及其相互關(guān)聯(lián)的特性。根據(jù)熱壓罐成型工藝特點(diǎn)，確定了工藝流程關(guān)鍵環(huán)節(jié)

5、的質(zhì)量控制目標(biāo)及其定性/定量指標(biāo)表達(dá)，重點(diǎn)分析固化周期不同工步的質(zhì)量指標(biāo)及其對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響；基于工藝?yán)碚撃Ｐ瓦M(jìn)一步確定不同固化指標(biāo)對應(yīng)的泛函表達(dá)，并且用于指導(dǎo)定量化質(zhì)量可制造性評估流程的設(shè)計；最后提出一種基于有限元實(shí)現(xiàn)的工藝模型數(shù)值解法，并且通過三組鋪層設(shè)計不同的復(fù)合材料層合板熱化學(xué)應(yīng)變導(dǎo)致固化變形進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證所提方法的有效性。
　　3.根據(jù)所提出的基于工序/工步的定量化可制造性評價流程完成復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)孔隙缺陷評價

6、方法的研究。分析固化過程中孔隙形成及生長模型，明確了通過水分?jǐn)U散控制生長孔隙的關(guān)鍵工藝參數(shù)以及樹脂壓力臨界條件，提出孔隙生長抑制力指標(biāo)，用以表征固化過程中孔隙擴(kuò)散生長的可能性；確定了孔隙缺陷評價過程需要參與的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計參數(shù)，以及評價過程需要的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)；根據(jù)質(zhì)量指標(biāo)間內(nèi)在關(guān)聯(lián)屬性完成基于工步的孔隙缺陷評價流程的設(shè)計，并且針對不同的研究對象完成具體評價步驟的實(shí)例分析，驗(yàn)證了孔隙缺陷可制造性評價方法的工程實(shí)用價值。
　

7、　4.根據(jù)所提出的基于工序/工步的定量化可制造性評價流程完成復(fù)合材料加筋壁板結(jié)構(gòu)固化變形評價方法的研究。分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)致固化變形的主要來源，明確固化周期中復(fù)合材料性能變化，以及作用于不同工序中的固化變形指標(biāo)參數(shù)和加筋壁板結(jié)構(gòu)固化變形指標(biāo)；確定了加筋壁板固化變形評價過程需要參與的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計參數(shù)，以及評價過程需要的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)；根據(jù)指標(biāo)間內(nèi)在關(guān)聯(lián)屬性完成基于工步的固化變形評價路程的設(shè)計，并且針對不同的研究對象完成具體評價步