計算機輔助復合材料模具設計探討
時間:2022-11-19 11:04:03
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摘要:如今復合材料的質(zhì)量與模具設計質(zhì)量具有直接關系,因此必須不斷提高模具設計的水平,并對先進的熱壓罐成型技術進行有效應用。基于此,就計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計進行研究,首先建模方法和知識構(gòu)建兩方面出發(fā),對計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計進行簡要概述,然后從設計流程和板件設計分析其設計策略,最后就模板的熱分布測試進行探討。
關鍵詞:計算機輔助;復合材料;模具設計
隨著社會科學技術水平的不斷提升,復合材料在現(xiàn)代工業(yè)領域得到廣泛應用。雖然復合材料在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、設計性、抗疲勞性等方面具有顯著優(yōu)勢,但是在制作時往往需要投入較大的成本,而且質(zhì)量控制難度較高。為了改變這一情況,必須對先進的計算機輔助軟件進行有效應用,通過熱壓罐成型模具設計,使復合材料實現(xiàn)數(shù)字化制作,從而提高復合材料的制備水平,促進行業(yè)的健康長遠發(fā)展。
1計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計概述
1.1建模方法。為了對熱壓罐成型模具設計中的模具變形問題給予有效解決,需要對建模的方法進行改進。以碳纖維增強樹脂基復合材料為例,這種材料在生產(chǎn)過程中存在熱膨脹差異,因此在設計并制作磨具時會因為受壓發(fā)生變形。《復合材料制件工裝建模要求》中對計算機輔助熱壓罐成型模具設計的流程給予明確說明,但是并沒有對模具熱膨脹變形情況給予修正,因此必須在此基礎上改進建模方法,從而提高模具的設計水平。具體來看,設計人員必須對知識庫技術、工程數(shù)據(jù)庫等進行有效利用,從中選擇合理的參數(shù),從而在計算機上進行工藝或者生產(chǎn)試驗,并且對實驗的結(jié)果進行對比分析,最終使模具的參數(shù)得到積累,并且實現(xiàn)精確修正。首先,設計人員需要啟動UG,并且對工作環(huán)境進行設置,期間需要插入制件模型;其次,設計人員應該對造型工藝補加曲面和模板曲面,并且建立支撐架,完成模具裝配;第三,判斷三維設計是否已經(jīng)完成,如果沒有完成就返回上方步驟,如果已經(jīng)完成就生成二維圖,并且對模型進行檢查,判斷模型是否合格。這這一流程中要重點關注造型工藝補加曲面和模板曲面,首先判斷是否做過相近制作,如果做過則對初始條件和邊界條件進行設置,如果沒做過就制作結(jié)構(gòu),并且進行材料有限元建模,然后再通過分析計算、變形結(jié)果預測等步驟修正參數(shù),最后儲存結(jié)果。1.2知識構(gòu)建。1.2.1熱壓罐成型工藝。在利用熱壓罐成型工藝設計復合材料的模具時,由于受到熱膨脹和模具型面壓力載荷的影響,模具會出現(xiàn)變形、翹曲等情況,而造成這些現(xiàn)象發(fā)生的工藝參數(shù)因素主要包括以下幾個方面:其一,熱壓罐會對模具施加真空壓力和氣體壓力,從而造成壓力負載現(xiàn)象;其二,加熱器的溫度會發(fā)生變化,從而造成溫度負載現(xiàn)象。實踐發(fā)現(xiàn),如果對模具自身的長度、寬度、厚度、剛度等因素進行調(diào)整,就能夠使壓力負載得到一定程度的緩解,但是并不能解決溫度負載問題,因此需要對模具模板的型面進行調(diào)整。1.2.2框架式模具設計。為了使模具型面得到精確的調(diào)整,可以對有限元模擬方法進行有效利用,從而使模具的變形情況得到有效預測。在獲得模具的變形量后,就可以應用反變形法修正模具的型面參數(shù)。另外,也可以對知識庫技術、工程數(shù)據(jù)庫等進行有效利用,從而構(gòu)建模具變形的計算元模型,最終對型面參數(shù)進行修正[1]。
2計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計的策略
2.1設計流程。在利用計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計時,可以從兩個方面開展工作,分別是模具的型面設計和模具的結(jié)構(gòu)設計。就模具的型面設計來看,設計人員首先要對模具型面的變形情況進行模擬和分析,然后獲得精確的變形修正參數(shù),并將此參數(shù)作為模具設計的依據(jù)。這種設計方法能夠及時發(fā)現(xiàn)模具設計存在的問題,避免在制作完成后進行返工和調(diào)整,從而使精力和資源遭受浪費;就模具的結(jié)構(gòu)設計來看,主要對模具型面的支撐結(jié)構(gòu)及等距進行分析,從而評價其可加工性。2.2板件模具設計。2.2.1設計過程。模具模板的結(jié)構(gòu)與復合材料的構(gòu)件結(jié)構(gòu)之間具有密不可分的關系,因此在設計中應該做到以下兩點:其一,對模具成型曲面進行合理設計。為此必須對熱壓罐成型模具設計的傳熱規(guī)律給予全面掌握,并且分析模具發(fā)生變形的具體情況及背后原因,從而使參數(shù)得到合理修正。為了避免模具發(fā)生變形現(xiàn)象,應該對成型曲面進行幾何補償;其二,對模具結(jié)構(gòu)進行合理設計,為此設計人員要緊密結(jié)合實踐工作的經(jīng)驗,通過取點方式對曲面輪廓線進行劃分,從而形成模板的外形輪廓。對于模具的設計質(zhì)量而言,設計人員的知識體系構(gòu)建具有至關重要的影響,因此在具體設計中會出現(xiàn)較多不確定因素,為此需要重視以下幾個設計要點:其一,設計人員要保證數(shù)模與模板外形之間具有相似性;其二,設計人員要盡可能節(jié)約模板的制造材料;其三,設計人員要綜合考慮模具機械加工時的具體情況,從而便于結(jié)構(gòu)裝夾;其四,設計人員要對現(xiàn)有的加工條件進行有效利用,從而提高模具的設計水平。2.2.2設計要求。板件模具的設計要求主要包括以下幾個方面:其一,要在外翼面進行貼膜;其二,要對框架式結(jié)構(gòu)進行有效利用,從而保障工裝的傳熱性能、通風性能和氣密性能;其三,要對工裝工作面的粗糙度進行有效控制,將數(shù)值保持在1.6;其四,要保障模具封裝及制造的便利性,使模具的光滑過度外延和總體表面外延分別為300毫米和100毫米;其五,要對檢驗靶標安裝孔進行合理設計,通過激光投影進行定位,確定靶標的坐標值及模具的最高點和最低點;其六,對吊裝掛點及叉車孔進行設計,便于模具的吊掛及入罐操作,并且將耐高溫漆涂刷在模板和框架的表面[2]。2.2.3模具設計。本次板件模具的設計主要將溫度場及型面設計的精度作為依據(jù),從而使模具的背部支撐設計更加合理。就復合材料板件設計與制造的外形輪廓來看,其長和寬分別為9820毫米和2320毫米,制作材料使用的是INVAR鋼材,由于殷鋼和碳纖維的熱膨脹系數(shù)分別為2.810m/(m•℃)和2.710m/(m•℃),因此二者差距較小,更有利于模具的穩(wěn)定性。為了對制造材料進行有效節(jié)約,同時降低模具的熱容量,將板件模具的成型面框架結(jié)構(gòu)厚度設置為5~8毫米。最終模具的參數(shù)如下所示:框格的長度、寬度和厚度分別為300毫米、300毫米和10毫米;型面的長度、寬度和厚度分別為9820毫米、2320毫米和8毫米。2.2.4熱分布測試。為了使模具模板的溫度均勻性得到保障,從而避免變形、翹曲等現(xiàn)象發(fā)生,必須對成型模板進行熱分布測試。在測試過程中需要監(jiān)控模具不同溫度區(qū)域的變化情況,避免發(fā)生極端高溫或者低溫現(xiàn)象,從而使構(gòu)建的固化質(zhì)量受到影響,為此可以將熱電偶設置在模具的周邊區(qū)域,以此作為溫度監(jiān)控設備,例如在熱壓罐的罐口位置,溫度必然最高,而罐底位置溫度最低,經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)溫度差為15℃,這時需要對模具位置進行調(diào)整。在利用熱壓罐成型技術進行模具設計時,罐口位置比罐底先受熱,因此要控制模具在罐口的受熱時間,盡可能減少模具兩端受熱的時間差,從而使受熱更加均勻[3]。
3結(jié)論
綜上所述,針對計算機輔助復合材料熱壓罐成型模具設計的探究是非常必要的。利用熱壓罐成型法進行工藝生產(chǎn)時必須注重模具的設計質(zhì)量,為此需要合理選擇設備、工藝、工裝等參數(shù),在模具設計系統(tǒng)的基礎上確定復合材料構(gòu)建的幾何尺寸。在這一過程中,必須綜合考慮熱壓罐工藝成型模具設計的工藝環(huán)境,從而使溫度場均勻性條件滿足設計需要。希望本文能夠為研究這一課題的相關人員提供參考。
參考文獻
[1]陳磊.復合材料熱壓罐成型固化回彈變形預測及其優(yōu)化[D].長沙:湖南大學,2017.
[2]楊攀.碳纖維復合材料熱固化變形規(guī)律研究[D].沈陽:沈陽航空航天大學,2017.
[3]傅承陽.飛機復合材料制件熱壓罐成型溫度場模擬與改善方法[D].南京:南京航空航天大學,2013.
作者:郭友利 唐 勇 單位:南京模擬技術研究所