树脂基复合曲率层板在热压罐成型中的工艺窗口优化方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于树脂基复合材料曲率层板在热压成型过程中的工艺窗口优化方法，该方法以树脂基复合材料热压成型模拟单元、工艺参数优化目标设置单元为基础，结合缺陷特性数据库单元，给出曲率层板热压成型工艺窗口，在优化的工艺窗口内可以制备出满足层板平均纤维体积分数和缺陷产生概率要求的曲率层板，在热压成型过程中出现缺陷时进行报警，指导树脂基复合材料曲率层板热压成型工业化作业，提高产品合格率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于树脂基复合材料的热压成型工艺，具体地说，是指一种适 用于树脂基复合曲率层板在热压罐成型过程中的工艺窗口的优化方法。
技术介绍
工艺窗口是指满足目标要求条件下工艺参数的控制范围，工艺窗口越宽表明材料 体系的工艺性越好，则实际工艺中越容易实现既定目标。在2004年9月出版的《聚合物基复合材料手册》的第233页中公开了一种复合材 料热压罐成型工艺图8-62。从该图中可以看出温度-时间之间存在的关系(或称温度制 度)、以及压力_时间之间存在的关系(或称压力制度)。目前在实际生产中更多的是靠经验和大量试验来制定工艺参数，即试错法，这种 方法优选出的工艺参数的适用性很差，即使原材料不变而只改变制件的几何结构，也要重 新摸索新的工艺规范，这无疑导致了研制周期长、废品率高以及可靠性低等问题。另一种是 将专家系统和传感器监测技术相结合，通过设置在固化体系内的传感器实时采集温度、压 力等被加工材料的信息并反馈给计算机内的实时监控系统，所述实时监控系统是根据一定 的原则对工艺参数进行及时调整，从而对成型过程进行有效控制，即在线固化监控方法。该 方法在一定程度上消除了经验法的盲目性，提高了制件质量稳定性，但是传感器一般会留 在制件内部从而影响其性能，而且许多传感器和监测设备的价格昂贵，使得这种方法难以 迅速推广。此外，专家系统在线监控的质量取决于其原则的完善程度，而对于复杂的情况， 制定合理的原则是十分困难的。在实际应用中，飞行器复合材料种类繁多，结构形式复杂，曲率层板是一种典型结 构形式，即由平板段和弧形段的两段结构组成，参见图1所示的三维结构示意图。曲率层 板与等厚层板不同，由于弧形段存在，厚度方向不同位置的弧长不同，在外力作用下除了厚 度方向的变形，同时会产生剪切变形，且不同位置处层板的变形程度不同，树脂承载压力不 同，树脂发生二维流动，即厚度方向和面内方向的流动；同时由于复合材料的各向异性，在 成型过程中树脂流动和层板变形非常复杂，容易产生各种缺陷，如孔隙、富树脂、架桥等，这 些导致适用于等厚层板的工艺窗口不再满足曲率层板的制备要求，在脱离生产线的条件 下，建立工艺窗口优化方法，评价材料工艺性，对于降低制造成本、提高产品合格率，以及带 曲率结构热压成型工业化作业具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种树脂基复合曲率层板在热压罐成型中的工艺窗口优化 方法，该方法是以曲率层板的初始工艺参量F7为输入信息源，借助成型工艺参数设置单元 2、材料特性数据库单元3和缺陷特性数据库单元4中提供的相关处理关系，然后结合制件 构形与网格剖分单元1和工艺参数优化目标设置单元6提出的要求，最后在热压成型模拟单元5中处理，从而获得满足曲率层板的平均纤维体积分数和孔隙缺陷产生概率P1要求的更加优化的工艺窗口，该更加优化的工艺窗口应用到树脂基复合曲率层板在热压成型 工业化作业中，能够提高制件的合格率。制件构形与网格剖分单元1输出的制件初始设置参量F1包括有模具类型、吸胶方 式、预浸料铺层层数、模具弧形部位弧度、贴模面弧形半径、横向等厚层板长度、纵向等厚层 板长度；成型工艺参数设置单元2输出的成型工艺参量F2包括有环境相对湿度、初始温 度、升温速率、温度_时间关系、外加正压力、加压时机；材料特性数据库单元3输出的材料参量F3包括有树脂种类、纤维种类、织物类型、 预浸料初始纤维体积分数以及预浸料初始单层厚度；所述树脂种类是环氧树脂、酚醛树脂、 氰酸酯树脂、双马树脂等；所述纤维种类是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等；所 述织物类型是单向预浸料、单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物等；缺陷特性数据库单元4输出的缺陷特性参量F4包括有热压成型工艺产生的孔隙、 分层、富树脂、贫胶等各种制造缺陷；热压成型模拟单元5首先根据制件初始设置参量F1、成型工艺参量F2、材料参量F3和缺陷特性参量F4进行热压成型工艺过程模拟，获得质量参量 然后依据适应度函数， 对平均纤维体积分数^y、目标平均纤维体积分数 和目标平均纤维体积分数的标准差δγ,进行比较，获得适应度参量；然后依据孔隙缺陷产生概率 对树脂压力Pr和阻止气泡生长的树脂最小压力Pv进行比较，获得孔隙缺陷产生概率；最后依据适应度参 量和孔隙缺陷产生概率对初始工艺窗口参量F7进行优化处理，获得优化后的工艺窗口 ； 工艺参数优化目标设置单元6是用于提供优化目标参量F6给热压成型模拟单元 5 ；在热压成型模拟单元5中会依据优化目标参量&进一步对初始工艺窗口设置单元(7)给出的初始工艺参量F7进行优化，从而体现出曲率层板的平均纤维体积分数和孔隙缺陷产生概率P1W较佳工艺窗口 ；初始工艺窗口设置单元7输出的初始工艺参量F7包括有外加压力、第一平台温度 Tl的下限温度Tlmin = 70 130°C、第一平台温度Tl的上限温度Tlmax = 100 160°C、施 加压力PC的最小值PCmin彡0. IMPa和施加压力PC的最大值PCmax彡0. 6MPa。本专利技术对曲率层板的工艺窗口进行优化方法具有如下优点①以初始工艺窗口 7中的工艺参量F7为基础，利用优化机制自动调整成型工艺参 数(外加压力、加压时机)进行曲率层板的加工模拟，剔除孔隙率含量较高、平均纤维体积 分数不满足目标要求的工艺条件，模拟得到的优化后工艺窗口能够以数据文件和图示形式 提供给参考者使用或者用于热压成型工业化作业中。②本专利技术利用计算机技术实现对曲率层板工艺窗口的优化，具有操作简单，模拟 效率高，实时性强的特点。③采用本专利技术得到的优化工艺窗口，可以制备得到满足平均纤维体积分数、孔隙 率含量较低要求的曲率层板。④本专利技术中树脂基复合材料热压成型模拟方法与缺陷特性数据库结合，可以评价 缺陷产生概率，并对热压成型过程中出现缺陷时进行报警。附图说明图1为曲率层板二维平面结构示意图。图2为本专利技术热压成型树脂基复合材料曲率层板工艺窗口优化系统的结构示意 框图。图3为对曲率层板的网格剖分设置界面。图4为本专利技术成型工艺参数设置单元的界面。图4A为现有热压罐成型工艺中温度、压力和时间三者的关系图。图5为本专利技术初始工艺窗口设置的界面。图6为本专利技术优化目标设置的界面。图7为碳纤维/环氧树脂曲率层板的剖面结构示意图。图7A为碳纤维/环氧树脂曲率层板的网络剖分示意图。图7B为碳纤维/环氧树脂曲率层板的计算机界面。图7C为碳纤维/环氧树脂曲率层板优化后的工艺窗口。具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术是一种利用计算机技术来模拟树脂基复合材料曲率层板的热压成型过程， 是以曲率层板的初始工艺参量F7为输入信息源，借助成型工艺参数设置单元2、材料特性 数据库单元3和缺陷特性数据库单元4中提供的相关处理关系，然后结合制件构形与网格 剖分单元1和工艺参数优化目标设置单元6提出的要求，最后在热压成型模拟单元5中处理，从而获得满足曲率层板的平均纤维体积分数和孔隙缺陷产生概率P1要求的更加优化的工艺窗口，该更加优化的工艺窗口应用到树脂基复合曲率层板在热压成型工业化作业 中，能够提高制件的合格率。参见图2所示，本专利技术的一种适用于树脂基复合曲率层板、在热压罐成型中的工 艺窗口优化方法，该工艺窗口优化过程中包括有制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种树脂基复合曲率层板在热压罐成型中的工艺窗口优化方法，该优化方法利用计算机技术来模拟树脂基复合材料曲率层板的热压成型过程，是以曲率层板的初始工艺参量Ｆ７为输入信息源，借助成型工艺参数设置单元（２）、材料特性数据库单元（３）和缺陷特性数据库单元（４）中提供的相关处理关系，然后结合制件构形与网格剖分单元（１）和工艺参数优化目标设置单元（６）提出的要求，最后在热压成型模拟单元（５）中处理，从而获得满足曲率层板的平均纤维体积分数＊↓［ｆ］和孔隙缺陷产生概率Ｐ↓［１］要求的更加优化的工艺窗口，其特征在于：制件构形与网格剖分单元（１）输出的制件初始设置参量Ｆ↓［１］包括有模具类型、吸胶方式、预浸料铺层层数、模具弧形部位弧度、贴模面弧形半径、横向等厚层板长度、纵向等厚层板长度；成型工艺参数设置单元（２）输出的成型工艺参量Ｆ↓［２］包括有环境相对湿度、初始温度、升温速率、温度－时间关系、外加正压力、加压时机；材料特性数据库单元（３）输出的材料参量Ｆ↓［３］包括有树脂种类、纤维种类、织物类型、预浸料初始纤维体积分数以及预浸料初始单层厚度；所述树脂种类是环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、双马树脂等；所述纤维种类是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等；所述织物类型是单向预浸料、单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物等；缺陷特性数据库单元（４）输出的缺陷特性参量Ｆ↓［４］包括有热压成型工艺产生的孔隙、分层、富树脂、贫胶等各种制造缺陷；热压成型模拟单元（５）首先根据制件初始设置参量Ｆ↓［１］、成型工艺参量Ｆ↓［２］、材料参量Ｆ↓［３］和缺陷特性参量Ｆ↓［４］进行热压成型工艺过程模拟，获得质量参量＊＊＊；然后依据适应度函数＊＊＊对平均纤维体积分数＊↓［ｆ］目标平均纤维体积分数＊↓［ｆｇ］和目标平均纤维体积分数的标准差Δ＊↓［ｆ］进行比较，获得适应度参量；然后依据孔隙缺陷产生概率＊＊＊对树脂压力Ｐ↓［ｒ］和阻止气泡生长的树脂最小压力Ｐ↓［ｖ］进行比较，获得孔隙缺陷产生概率；最后依据适应度参量和孔隙缺陷产生概率对初始工艺窗口参量Ｆ↓［７］进行优化处理，获得优化后的工艺窗口；工艺参数优化目标设置单元（６）是用于提供优化目标参量Ｆ↓［６］给热压成型模拟单元（５）；在热压成型模拟单元（５）中会依据优化目标参量Ｆ↓［６］进一步对初始工艺窗口设置单元（７）给出的初始工艺参量Ｆ↓［７］进行优化，从而体现出曲率层板的平均纤维体积分数＊↓［ｆ］和孔隙缺陷...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳霞，李敏，顾轶卓，张佐光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]