计算机辅助复合材料模具设计探讨

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摘要：如今复合材料的质量与模具设计质量具有直接关系，因此必须不断提高模具设计的水平，并对先进的热压罐成型技术进行有效应用。基于此，就计算机辅助复合材料热压罐成型模具设计进行研究，首先建模方法和知识构建两方面出发，对计算机辅助复合材料热压罐成型模具设计进行简要概述，然后从设计流程和板件设计分析其设计策略，最后就模板的热分布测试进行探讨。

关键词：计算机辅助；复合材料；模具设计

随着社会科学技术水平的不断提升，复合材料在现代工业领域得到广泛应用。虽然复合材料在结构稳定性、设计性、抗疲劳性等方面具有显著优势，但是在制作时往往需要投入较大的成本，而且质量控制难度较高。为了改变这一情况，必须对先进的计算机辅助软件进行有效应用，通过热压罐成型模具设计，使复合材料实现数字化制作，从而提高复合材料的制备水平，促进行业的健康长远发展。

1计算机辅助复合材料热压罐成型模具设计概述

1.1建模方法。为了对热压罐成型模具设计中的模具变形问题给予有效解决，需要对建模的方法进行改进。以碳纤维增强树脂基复合材料为例，这种材料在生产过程中存在热膨胀差异，因此在设计并制作磨具时会因为受压发生变形。《复合材料制件工装建模要求》中对计算机辅助热压罐成型模具设计的流程给予明确说明，但是并没有对模具热膨胀变形情况给予修正，因此必须在此基础上改进建模方法，从而提高模具的设计水平。具体来看，设计人员必须对知识库技术、工程数据库等进行有效利用，从中选择合理的参数，从而在计算机上进行工艺或者生产试验，并且对实验的结果进行对比分析，最终使模具的参数得到积累，并且实现精确修正。首先，设计人员需要启动UG，并且对工作环境进行设置，期间需要插入制件模型；其次，设计人员应该对造型工艺补加曲面和模板曲面，并且建立支撑架，完成模具装配；第三，判断三维设计是否已经完成，如果没有完成就返回上方步骤，如果已经完成就生成二维图，并且对模型进行检查，判断模型是否合格。这这一流程中要重点关注造型工艺补加曲面和模板曲面，首先判断是否做过相近制作，如果做过则对初始条件和边界条件进行设置，如果没做过就制作结构，并且进行材料有限元建模，然后再通过分析计算、变形结果预测等步骤修正参数，最后储存结果。1.2知识构建。1.2.1热压罐成型工艺。在利用热压罐成型工艺设计复合材料的模具时，由于受到热膨胀和模具型面压力载荷的影响，模具会出现变形、翘曲等情况，而造成这些现象发生的工艺参数因素主要包括以下几个方面：其一，热压罐会对模具施加真空压力和气体压力，从而造成压力负载现象；其二，加热器的温度会发生变化，从而造成温度负载现象。实践发现，如果对模具自身的长度、宽度、厚度、刚度等因素进行调整，就能够使压力负载得到一定程度的缓解，但是并不能解决温度负载问题，因此需要对模具模板的型面进行调整。1.2.2框架式模具设计。为了使模具型面得到精确的调整，可以对有限元模拟方法进行有效利用，从而使模具的变形情况得到有效预测。在获得模具的变形量后，就可以应用反变形法修正模具的型面参数。另外，也可以对知识库技术、工程数据库等进行有效利用，从而构建模具变形的计算元模型，最终对型面参数进行修正[1]。

2计算机辅助复合材料热压罐成型模具设计的策略

2.1设计流程。在利用计算机辅助复合材料热压罐成型模具设计时，可以从两个方面开展工作，分别是模具的型面设计和模具的结构设计。就模具的型面设计来看，设计人员首先要对模具型面的变形情况进行模拟和分析，然后获得精确的变形修正参数，并将此参数作为模具设计的依据。这种设计方法能够及时发现模具设计存在的问题，避免在制作完成后进行返工和调整，从而使精力和资源遭受浪费；就模具的结构设计来看，主要对模具型面的支撑结构及等距进行分析，从而评价其可加工性。2.2板件模具设计。2.2.1设计过程。模具模板的结构与复合材料的构件结构之间具有密不可分的关系，因此在设计中应该做到以下两点：其一，对模具成型曲面进行合理设计。为此必须对热压罐成型模具设计的传热规律给予全面掌握，并且分析模具发生变形的具体情况及背后原因，从而使参数得到合理修正。为了避免模具发生变形现象，应该对成型曲面进行几何补偿；其二，对模具结构进行合理设计，为此设计人员要紧密结合实践工作的经验，通过取点方式对曲面轮廓线进行划分，从而形成模板的外形轮廓。对于模具的设计质量而言，设计人员的知识体系构建具有至关重要的影响，因此在具体设计中会出现较多不确定因素，为此需要重视以下几个设计要点：其一，设计人员要保证数模与模板外形之间具有相似性；其二，设计人员要尽可能节约模板的制造材料；其三，设计人员要综合考虑模具机械加工时的具体情况，从而便于结构装夹；其四，设计人员要对现有的加工条件进行有效利用，从而提高模具的设计水平。2.2.2设计要求。板件模具的设计要求主要包括以下几个方面：其一，要在外翼面进行贴膜；其二，要对框架式结构进行有效利用，从而保障工装的传热性能、通风性能和气密性能；其三，要对工装工作面的粗糙度进行有效控制，将数值保持在1.6；其四，要保障模具封装及制造的便利性，使模具的光滑过度外延和总体表面外延分别为300毫米和100毫米；其五，要对检验靶标安装孔进行合理设计，通过激光投影进行定位，确定靶标的坐标值及模具的最高点和最低点；其六，对吊装挂点及叉车孔进行设计，便于模具的吊挂及入罐操作，并且将耐高温漆涂刷在模板和框架的表面[2]。2.2.3模具设计。本次板件模具的设计主要将温度场及型面设计的精度作为依据，从而使模具的背部支撑设计更加合理。就复合材料板件设计与制造的外形轮廓来看，其长和宽分别为9820毫米和2320毫米，制作材料使用的是INVAR钢材，由于殷钢和碳纤维的热膨胀系数分别为2.810m/(m•℃)和2.710m/(m•℃)，因此二者差距较小，更有利于模具的稳定性。为了对制造材料进行有效节约，同时降低模具的热容量，将板件模具的成型面框架结构厚度设置为5~8毫米。最终模具的参数如下所示：框格的长度、宽度和厚度分别为300毫米、300毫米和10毫米；型面的长度、宽度和厚度分别为9820毫米、2320毫米和8毫米。2.2.4热分布测试。为了使模具模板的温度均匀性得到保障，从而避免变形、翘曲等现象发生，必须对成型模板进行热分布测试。在测试过程中需要监控模具不同温度区域的变化情况，避免发生极端高温或者低温现象，从而使构建的固化质量受到影响，为此可以将热电偶设置在模具的周边区域，以此作为温度监控设备，例如在热压罐的罐口位置，温度必然最高，而罐底位置温度最低，经过测量发现温度差为15℃，这时需要对模具位置进行调整。在利用热压罐成型技术进行模具设计时，罐口位置比罐底先受热，因此要控制模具在罐口的受热时间，尽可能减少模具两端受热的时间差，从而使受热更加均匀[3]。

3结论

综上所述，针对计算机辅助复合材料热压罐成型模具设计的探究是非常必要的。利用热压罐成型法进行工艺生产时必须注重模具的设计质量，为此需要合理选择设备、工艺、工装等参数，在模具设计系统的基础上确定复合材料构建的几何尺寸。在这一过程中，必须综合考虑热压罐工艺成型模具设计的工艺环境，从而使温度场均匀性条件满足设计需要。希望本文能够为研究这一课题的相关人员提供参考。

参考文献

[1]陈磊.复合材料热压罐成型固化回弹变形预测及其优化[D].长沙：湖南大学,2017.

[2]杨攀.碳纤维复合材料热固化变形规律研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学,2017.

[3]傅承阳.飞机复合材料制件热压罐成型温度场模拟与改善方法[D].南京：南京航空航天大学,2013.

作者:郭友利 唐 勇 单位:南京模拟技术研究所