【论文介绍】基于温度曲线优化的复合材料热压罐固化时间与固化质量协同控制
研究背景
碳纤维增强树脂基复合材料因其卓越的比强度、比模量、可设计性，在航空、航天、轨道交通、新能源等高端装备领域得到广泛应用。热压罐成型工艺是纤维增强树脂基复合材料主要使用的成型技术，尤其适用于大尺寸复合材料构件的成型。由于成型过程中热压罐内需要保持长时间的高温与高压条件，相对于非热压罐工艺，热压罐成型通常会导致较高的电力能源消耗。显然，减少热压罐成型时间可以有效降低能源消耗，但是如果缺乏合理的工艺设计，成型时间的缩短会直接造成固化不充分等缺陷，从而降低复合材料构件的固化质量。温度曲线是复合材料热压罐成型的重要工艺参数，一个完整的固化温度曲线包括升温速率、恒温温度、恒温时间、降温速率等参数，对温度曲线进行合理的优化设计，可以实现对成型时间与固化质量（固化程度、固化均匀性、固化变形）的协同控制。
近年来基于工艺优化的热压罐成型过程控制得到了广泛研究，特别是随着复合材料固化成型数值模拟方法的日益完善，基于数值模拟结果对工艺参数进行优选或结合优化算法对工艺参数进行优化设计，为复合材料热压罐成型控制提供了重要参考。现有研究工作大多针对复合材料构件成型后的残余应力、固化变形，或者成型过程中的温度均匀性、固化度均匀性、温度峰值等开展工艺优化，如何在控制质量的前提下缩短成型周期仍然存在很多问题，所以考虑对成型时间与固化质量的协同控制优化成为目前国内外学者的研究重点。
主要创新点
本文考虑了固化成型过程中复合材料构件的固化程度、固化均匀性，以及内应力导致的构件固化变形，建立复合材料固化成型的数值模拟方法。数值模拟方法包括固化动力学方程、热-化学耦合传热模型以及考虑固化收缩与热变形的本构模型。针对复合材料C形构件开展了固化成型的数值仿真，固化变形预测结果与实验测试结果吻合较好，验证了计算方法的合理性。
在此基础上，发展了DOE与粒子群算法集成的优化策略，以温度曲线的关键参数为设计变量，考虑成型时间与固化质量的协同控制需求，开展了温度曲线优化设计研究。集成优化策略具有较好的全局性、均衡性与空间填充性，并且具有较快的收敛速度，全局最优解的搜索速度得到提升。采用该集成优化策略，针对复合材料C形构件开展了成型时间与固化程度、固化变形的协同控制优化。
主要研究成果
针对成型时间与固化程度、固化变形协同控制优化，以温度工艺曲线作为优化参数,将温度曲线简化为如图1的6个参数。
图1 温度曲线
优化过程中固化时间、固化变形以及最终固化度的迭代曲线如图2~4所示。
图2 薄壁零件固化时间迭代曲线
图3 薄壁零件固化变形迭代曲线
图4 薄壁零件固化度迭代曲线
通过成型时间与固化程度、固化变形的协同控制优化，在满足固化程度与固化变形要求的前提下，成型时间降至11000 s，相比初始成型时间缩短了45%，对比曲线如图5所示。优化后的温度曲线加快了升温速率、提高了保温温度，虽然会一定程度增加构件的最高温度和最低温度点的温差，但由于本工作考虑的C形构件尺寸较小、壁厚较薄，构件具有较好的温度均匀性，零件内部与表面的温差较小，如表1所示，因此对比原始升温速率条件下的最大温差差别不大。
图5 优化前后曲线对比
表1薄壁零件优化结果对比
本工作进一步开展了优化结果的实验验证，本工作针对薄壁零件优化算例开展了实验验证。验证思路如下：采用表1中优化前与优化后的温度工艺曲线参数，分别进行T800/M21 C形复合材料构件的热压罐成型，构件几何尺寸与铺层参数与优化算例中一致，成型后对构件的固化变形进行测量。
热压罐成型中使用的预浸料铺层和钢模具如图6所示，每种温度工艺曲线下各成型两件C形构件，对成型后构件的固化变形回弹角取平均值。
图6 预浸料铺层和模具
成型得到的C形构件如图7所示。采用游标万能角度尺对成型后的C形构件进行回弹角度测量，优化前工艺成型构件的固化变形回弹角度平均值为1.21，优化后工艺成型构件的固化变形回弹角度平均值为1.18，可以看到，两种工艺曲线下得到的构件外形尺寸基本一致，符合固化变形要求，然而，优化后工艺曲线的成型时间相比优化前缩短了45%，显著提高了成型效率。
图7 不同温度曲线成型的C形构件
论文出处：
唐闻远，许英杰，孙勇毅，张卫红，惠新育
2021，49（9）：142-150
Doi:10.11868/j.issn.1001-4381,2020,000716