熱壓罐成型復合材料結(jié)構(gòu)可制造性評價方法的研究.pdf

1、復合材料憑借比強度高、比剛度大、便于大面積整體成型以及抗腐蝕等的優(yōu)點成為飛機結(jié)構(gòu)上的主要應用材料之一，并逐漸向結(jié)構(gòu)整體化、設計制造集成化的方向發(fā)展。相比傳統(tǒng)的金屬材料，復合材料構(gòu)件材料形成與結(jié)構(gòu)成形同時完成，設計師可以根據(jù)需要在極大范圍內(nèi)實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)形狀與材料性能的優(yōu)化設計。但是復合材料所呈現(xiàn)的多層次結(jié)構(gòu)特性，也意味著其制造過程的復雜程度要遠遠高于金屬材料，導致最終產(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

2、合材料結(jié)構(gòu)設計過程中所面臨的嚴峻挑戰(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合材料結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題更加復雜化。高效的復合材料結(jié)構(gòu)設計必須基于對復合材料結(jié)構(gòu)制造工藝的深入認識以及面向制造的設計（Design for Manufacture, DFM）理念的指導。
　　當前人們對于DFM技術在復合材料領域的應用已經(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計準則的基礎上，并沒有形成系統(tǒng)化的復合

3、材料結(jié)構(gòu)DFM評價知識框架并充分發(fā)揮其設計指導效用，特別是對應復合材料工藝質(zhì)量指標提出的可制造性評價方法的研究尚未出現(xiàn)。必須將復合材料結(jié)構(gòu)制造經(jīng)驗與具有普適價值的復合材料工藝理論緊密結(jié)合，構(gòu)建完整、定量化的復合材料結(jié)構(gòu)制造知識體系，并且借助于知識庫軟件和計算機模擬手段，才能實現(xiàn)復合材料產(chǎn)品可制造性的定量化評價。本文主要從以下幾個方面進行了研究：
　　1.研究復合材料產(chǎn)品面向制造的設計過程中的系統(tǒng)化評價方法?；趶秃喜牧现圃旃に囂攸c

4、，提出復合材料結(jié)構(gòu)可制造性概念的基本內(nèi)涵；完成復合材料DFM系統(tǒng)框架設計，包括結(jié)構(gòu)組成，功能需求和關鍵技術；利用特征技術完成復合材料加筋壁板結(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)量指標間的傳遞關系，提出了基于工序/工步進行的復合材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量評價模型。
　　2.研究熱壓罐成型過程質(zhì)量指標體系及其相互關聯(lián)的特性。根據(jù)熱壓罐成型工藝特點，確定了工藝流程關鍵環(huán)節(jié)

5、的質(zhì)量控制目標及其定性/定量指標表達，重點分析固化周期不同工步的質(zhì)量指標及其對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響；基于工藝理論模型進一步確定不同固化指標對應的泛函表達，并且用于指導定量化質(zhì)量可制造性評估流程的設計；最后提出一種基于有限元實現(xiàn)的工藝模型數(shù)值解法，并且通過三組鋪層設計不同的復合材料層合板熱化學應變導致固化變形進行數(shù)值模擬驗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，明確了通過水分擴散控制生長孔隙的關鍵工藝參數(shù)以及樹脂壓力臨界條件，提出孔隙生長抑制力指標，用以表征固化過程中孔隙擴散生長的可能性；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)和工藝設計參數(shù)，以及評價過程需要的關鍵質(zhì)量指標；根據(jù)質(zhì)量指標間內(nèi)在關聯(lián)屬性完成基于工步的孔隙缺陷評價流程的設計，并且針對不同的研究對象完成具體評價步驟的實例分析，驗證了孔隙缺陷可制造性評價方法的工程實用價值。
　

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。分析復合材料結(jié)構(gòu)導致固化變形的主要來源，明確固化周期中復合材料性能變化，以及作用于不同工序中的固化變形指標參數(shù)和加筋壁板結(jié)構(gòu)固化變形指標；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)和工藝設計參數(shù)，以及評價過程需要的關鍵質(zhì)量指標；根據(jù)指標間內(nèi)在關聯(lián)屬性完成基于工步的固化變形評價路程的設計，并且針對不同的研究對象完成具體評價步