复合材料构件热压罐成型模具温度场模拟与结构改进研究

发布时间：2020-07-03 20:45

【摘要】：复合材料构件在热压罐中固化成型时,温度分布对其最终的成型质量有着重要的影响。本文对复合材料构件固化过程中的温度分布进行研究,并以提高构件的温度均匀性为目的,对模具结构进行改进设计。首先,利用有限元方法模拟了热压罐内部的温度场,并与已知的实验数据进行对比验证。通过仿真分析,模具表面的温度呈阶梯型分布。然后,进一步对比了模具不同位置处构件的固化度,结果表明模具表面的温度差异越小,固化梯度越小。据此,对模具的型板和支撑结构进行改进设计,来降低模具表面温度差异。在模具型板改进设计方面,根据热阻和材料厚度成正比的特点,设计了梯形型板、阶梯型型板和连续变厚度型板,模拟结果表明:变厚度型板较等厚度型板,能大大提高模具表面的温度均匀性。其中,梯形型板将温度方差和最大温差分别降低了80.38%和34.73%;阶梯型型板将温度方差和最大温差分别降低了73.66%和41.31%;连续变厚度型板将温度方差和最大温差分别降低了83.9%和37.72%。在模具支撑结构改进设计方面,在保证模具吊运刚度要求的前提下,考虑了散热孔形状、支撑板厚度、多模具垂直入罐间距和骨架式支撑结构对表面温度均匀性的影响。模拟结果表明:采用方形散热孔的模具温度分布最均匀,但是结构刚度差于菱形和圆形散热孔;当支撑型板厚度越薄,模具表面温度分布越均匀,其中温度均匀性对于垂直于风向方向的支撑板厚度,相对于平行与风向方向的支撑板厚度,更加敏感;当多模具垂直间距越小,模具间的相互影响变大,温度均匀性及升温能力下降;骨架式模具在同等的最大吊运变形要求下,相对于框架式模具能提供更加均匀分布的温度。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V261
【图文】：

热压罐成型,简化结构,模具

热压罐成型工艺主要是利用温度变化的气体来对复合材料构建进行加温，保温和降温。利用鼓风系统使得罐内的空气可以循环流动。在升温阶段，循环空气通过加热器进行加热，保证温度气体均匀上升，在降温阶段采用循环水冷却，使得气体在循环中均匀降温。本文对复杂的热压罐气体循环进行了简化，根据其工作内腔将其简化成一个圆柱体，圆柱体一端是气体入口，另一端是气体出口。简化了热压罐原有的加热和冷却系统，同时也简化了模具上的一些辅助装置。如图 2.3 和图 2.4 所示，复合材料成型模具和热压罐的简化模型。框架式模具由两部分组成一部分是与复合材料构件直接接触的型板。另一部分为支撑结构一般与型板焊接在一起，其为模具提供支撑。支撑结构通常采用“鸡蛋格子”的形状，可以节省材料和减轻重量，并且加强底部的空气流动。根据文献[7]中模型数据，本文模拟的模具尺寸为 1700×1500×400mm，材料为 Q235；热压罐简化模型为圆柱体，模型直径为 2500mm，长度为 7000mm，罐内流体为空气。空气与 Q235 的热物性如表 2.1 所示。表 2. 1 材料的热属性材料密度/( kg·m-3) 比热 /( J·kg-1·K-1) 热导率/( W·m-1·K-1)Q235 7850 470 49.8空气 1.225 1006.43 0.0242

模型图,热压罐,框架式,模具

图 2. 4 简化框架式模具和热压罐模型为了使得 CAD 模型可以在 ANSYS FLUENT 等计算流体力学软件中进行运算分析，需要对当前的数模进行区域离散化，即对需要计算的区域划分网格。目前常用的有限元网格类型主要是非结构网格和结构网格。其中，结构网格的主要优点是网格质量高、生成的速度快和数据结构简单。但是它的适用性差，只适用于形状较为规则的模型。但遇到复杂的几何模型时，使用结构网格往往得不到理想的效果。而非结构网格它生成速度慢，数据结构复杂，对计算机的计算能力有较高的要求，但是它的几何形状适应性好，几乎能对任何复杂的模型进行网格划分。由于本文中分析的模型几何形状较为简单，对其进行几何分割处理，采用结构网格进行划分。此外，Chen[10]提出由于流体具有粘性，使得流图交界区域出现边界层，如图所示。对流固交界区域划分边界层网格能提高计算精度。流体边界层如图 2.5 所示。度自由来流U0.99U

【参考文献】