模具设计复合材料成型分析

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摘要：大型复合材料零件在成型的过程中需要使用到大型框架式模具，这就需要在设计时先用模型建模。在本文中分析了实际应用中模具的应力和变形等问题，同时还对设计中的其他问题进行了分析，这样可以确保模具设计的高效性和精准性，让模具结构能更加符合复合材料零件成型的需求。

关键词：模具设计；框架式成型；复合材料

复合材料具有较好的优越性，一直被应用于航空领域中，由于飞机零件需要较高的精确度，同时它们的尺寸较大，一般会使用复合材料对其进行固化成型。在复合材料的成型过程中，复合材料构件会直接与模具的型面相接触，一旦模具发生变形，构件的尺寸和形状等就会受到影响。模具的尺寸若是较大，那么在其固化的过程中复合材料的固化质量和表面温度会受到模具型面不均匀的温度场的影响。当前在一些大尺寸的模具成型过程中一般会选择使用框架式结构，这种结构有着均匀的厚度，同时通风效果较好，能快速升降温，这些模具中的各个点可以均匀受热，模具中的各个部位就不会因为升降温而发生变形。在当前设计框架式模具的过程中，在设计多个支撑框架时，不仅需要经过重复且繁琐的操作，同时操作也较为费时费力，设计模型需要丰富的经验，但是模具使用起来较为费劲，同时也不利于校核模型的温度情况和变形情况，在设计模具的过程中就缺乏精准度同时也缺乏效率。为了及时改善该情况，就需要将模具设计和更改的效率提高，同时在设计的过程中需要进行周全的考虑，将复合材料在制件过程中的固化变形问题解决掉。在设计该种框架式的模具时，应建立起一种能进行快速更改和建模的方式，并通过有限元分析模型，对模型根据分析的结果进行优化和调整，这样可以更好地对模具的尺寸和回弹情况进行设计补偿，以便得出最精确的模具结构设计结果。

1建模的快速化方法

如果是框架式的模具成型，它的结构主要包括底板、型面板和吊环等部分。在设计模具的过程中，需要对支撑隔板的数量、厚度、通风口的定位尺寸等参数进行调整。当前，在设计模型模具的过程中一般会使用CATIA软件的方式来进行，在建模时需要首先进行产品型面的提取、接合等操作，这样就形成了模具的型面板；然后再进行隔板和隔板上的通风孔的制作，它需要通过平面化的编制和绘制草图及凸台等操作才能形成，隔板和隔板上的通风孔是和型面板相连接的。隔板具有较多的数量，需要重复性地进行隔板的绘制工作，所需工作量很大，会花费设计者很多的时间和精力。但是，通过“产品智能模板”—“创建超级副本”操作就可以将在建模过程中将的绘制草图、凸台等命令集中到一个命令中进行集体的封装。该命令集合在执行时只需要通过操作“从选择实例化”就可以了。这样可以将很多重复性的操作避免掉，在隔板的绘制和通风孔等操作中就可以节省掉很多时间。使用其中的“知识工程”—“公式”命令就可以对参数进行调整同时还可以对其进行赋值了。在后期只需要对参数的赋值进行变更即可实现参数值的变化，同时变量间的关系也可以通过公式的定义来实现，使得变量能够基于另一个变量的变化而变化，这样可以使得参数的变量化得以实现。采用这样的建模方式，可以实现对纵向隔板数量和型面板厚度等参数进行变量化的快速设计。此时，如果合理的更改参数的数值，将视图刷新后，稍微改动一些模型就能达到设计的更改要求了。采用这种方式可以将对框架式模具的建模时间缩短，同时可以更加快捷地进行模型的更改和设计，不仅能提高了更改和设计模具的效率，同时也为有限元模型的分析和设计优化奠定了基础。

2有限元模型分析

在进行复合材料的框架式模具设计时，一般需要根据经验来校核模具结构的强度，在制定通风口尺寸和隔板的间距时，会进行保守设计，比如将隔板间距缩小或是将隔板厚度增大等，采用这样的方法虽然可以对模具的性能进行改善，但是因为在制造模具的过程中其周期较长同时模具的成本较高，会对设备的使用情况造成影响。需要首先采用有限元分析法对模具的变形情况和应力情况进行校核，这样可以很好地确定设计模具的可行性，同时还可对模具设计的参数等在变形和应力的情况下进行调整，使得模具能在性能得到满足的情况下将重量减轻，使得运输和成本等得到降低，此外，还可以有效将制造周期缩短。特别是对一些梁类复材零件和蒙皮等来说，它们的尺寸相对较大，所以在模具中其主体部分的框架式支撑结构，需要花费大量的成本和材料等，这部分费用也会被计算在内，需要采用有限元分析的方法将支撑板的结构及尺寸等情况进行合理选择，这样可以在模具经济成本降低的基础上确保好复材制件的成型质量。另外，复材零件的固化质量和表面温度也会受到模具型面温度的影响，导致零件出现固结，模具自身也会因为存在的温度梯度而出现变形，这就需要掌握好模拟模具固化中的温度变化情况，可以更好地调整模具设计的可行性，并通过调整参数来将温度场调整均匀。表1中1号和2号模型，分别采用CITIA对它们进行各种工况情况下的分析，使用的模具材料是Q235，不同的边界条件在不同工况时如下表2所示，两个模型的最大应力值和最大变形值，如表3所示。比较1号模型和2号模型发现，2号模型的型面板要比1号模型的型面板厚度大2mm，支撑板的厚度要大2mm，同时重量大了179kg。从上表3中可以看出，1号模型的应力和变形情况在工况相同的时候都要大于2号模型，在4种工况下1号模型和2号模型的最大应力都要小于Q235的屈服应力，其形变是弹性形变，对于1号模型和2号模型来说，它们都能符合设计的要求，但是如果选择的是1号模型，它能更好地将模具的重量减轻，材料成本也能由此得到节省。在分析模具的变形和温度分布情况时，采用CATIA将一个普通钢框架式模具模型和热压罐模型建立起来，同时将热压罐内的区域划分为不同的网格。将瞬态求解设置在Fluent中，同时将能量方程开启出来，这样可以便于湍流模型的设置，假定热压罐的外壁是绝热壁，同时将内壁设置成耦合壁面，根据其温度边界条件将时间函数定义好。然后将模具型面上一些关键时刻点的温度云图提取出来，这个时候可以看出，如果温度升高，那么迎风面的温度也就升高，工装中部就会有着较低的温度，这样就会逐渐增大温差；如果温度不再升高，其上的温度差是14.6℃；如果在保温时将其降低至0℃；如果是处于温度降低阶段对于迎风面来说它的温度不高，这样在整个工装中部就有着较高的温度。模具型面在整个固化过程中其上的温度都处于均匀分布的状态。对于复材来说，它的制件一般会在保温的后期发生固化反应，所以工装型面经过了足够的保温时间，其温度场分布均匀。在对模具的热变形进行分析和计算的过程中，求解时可以按照均匀温度场来进行。如果工装模型的热变形采用的是ABAQS法进行计算，所用的材料是Q235，其初始温度设定是20℃，其最终温度是180℃，将位移约束添加在模具的四个脚轮处，将模具的变形量在该温度场下求解出来。对于模具的热变形云图，会在模具的四个边角处会出现最大变形，其中最大的变形量达到了3.3mm。对于一些尺寸较大的钢材料模具来说，如果要进行高温固化，它的变形量是很大的。

3结语

为了提高模具设计的效率和精准度，需要先将制件过程中的固化问题解决，在设计这种框架式的模具时，先将其快速更改模式和建模方式建立起来。在本文中，通过有限元模型分析法进行数值的模拟检验，根据模型分析出的结果进行了调整和优化，便于以后对模具的回弹和尺寸等进行设计补偿，确定最终能得到最精确的模具设计结果。

作者:袁玉苹 单位:中山市技师学院

参考文献：

[1]岳广全，张博明，杜善义等.模具度热固性树脂基复合材料固化变形的影响[J].玻璃钢/复合结构．2010,(5):62-65.

[2]晏冬秀，刘卫平，黄钢华等.复合材料热压罐成型模具设计研究[J].航空制造技术，2012,(7):49-52.