熱壓罐成型工藝是目前廣泛應(yīng)用于先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)的主要成型方法。在成型過程中，復(fù)合材料制件是在高溫高壓下與工裝一起放進熱壓罐中固化成型，制件固化成型后幾乎不再做任何加工，外表尺寸應(yīng)滿足裝配協(xié)調(diào)要求，不允許強迫裝配。然而，工裝在整個成型過程中因承受高溫熱載荷、自身重力及成型輔助件壓力的共同作用而發(fā)生變形，工裝的變形直接影響到制件固化變形而最終影響到復(fù)合材料制件的實際形狀和尺寸精度。

針對目前較為常用的熱壓罐成型工裝，國內(nèi)外對熱壓罐成型工藝參數(shù)和工裝結(jié)構(gòu)因素對工裝溫度場均勻性的影響進行了研究，并研究了固化工裝變形對復(fù)合材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響。岳廣全等針對當前應(yīng)用較多的框架式工裝在工藝過程中的變形進行了研究。

本文以柱支撐形式建立大型復(fù)合材料固化工裝模型，在保證支撐形式滿足工裝靜力剛度的前提下，研究其在熱壓罐成型過程中熱- 結(jié)構(gòu)耦合作用下的結(jié)構(gòu)變形。

柱支撐形式固化工裝

        對大型復(fù)合材料固化工裝，工裝模具的型面需要根據(jù)固化成型后的復(fù)合材料曲面進行調(diào)整，復(fù)合材料成型的多樣性勢必增加工裝制作的經(jīng)濟成本和制作周期。針對此問題，對以柱支撐為支撐形式的工裝，支撐部分與工裝模具的接觸面積小，工裝模具型面改變后，支撐柱的生產(chǎn)加工簡單易行；此外，工裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，利于熱空氣的流通，可以提高工裝和熱空氣之間的傳熱效率。

為方便后續(xù)研究，對柱支撐形式的工裝，以結(jié)構(gòu)相對簡單的平板型面工裝為例（見圖1），分析工裝在復(fù)合材料固化成型過程的變形情況。圖1中工裝的型面厚度為20mm，模型尺寸為15000mm×5000mm×1000mm，支撐柱截面設(shè)為正方形，尺寸為100mm×100mm。模具材料為殷鋼，密度ρ=7900kg/m3，彈性模量E=214GPa, 泊松比ν=0.3，線膨脹系數(shù)α=1.7×10-6/K。

對工裝進行靜力分析，可通過調(diào)節(jié)支撐柱數(shù)量來控制工裝型面變形量大小。為了比較靜力作用下的變形量和熱- 結(jié)構(gòu)耦合作用下的變形量，使用70 個支撐柱。對圖1中工裝進行靜力分析（見圖2），工裝總變形量為0~0.00635mm，垂直型面方向變形量為0~0.00627mm ；靜力作用下，70個支撐柱的工裝結(jié)構(gòu)變形量微小，說明以支撐柱為支撐形式的工裝完全可以滿足靜力作用下的剛度要求。

成型工裝熱- 結(jié)構(gòu)耦合分析

由經(jīng)驗和工藝試驗可知工裝的變形均在毫米量級，工裝的尺寸在幾米至十幾米，工裝結(jié)構(gòu)變形不會對熱壓罐內(nèi)的氣體流動產(chǎn)生明顯影響。由于流體計算對網(wǎng)格要求較高，文中使用專業(yè)流體仿真軟件FLUENT進行工裝及熱壓罐內(nèi)整個流場的網(wǎng)格劃分，如圖3所示。對工裝建立的有限元模型既可以適用于溫度場的計算，也可以用于工裝的結(jié)構(gòu)變形計算。熱壓罐工藝規(guī)范簡化如圖4所示，溫度場計算所用相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

對復(fù)合材料固化工裝而言，工裝型面的變形將直接影響與其接觸的復(fù)合材料制件的成型質(zhì)量，垂直型面方向的翹曲變形將直接影響到大尺寸復(fù)合材料成型的曲率精度，所以型面變形場的表征方法應(yīng)該與型面的變形直接相關(guān)。為對成型工裝的型面變形量進行表征，所用支撐柱如圖5所示。

       圖1所示工裝中，其型面存在眾多可用于表征型面變形量的位置，為方便解釋問題，以支撐柱坐標所對應(yīng)的型面位置的變形量來表征型面變形。鑒于模型所用支撐柱數(shù)量較多且考慮到模型結(jié)構(gòu)的對稱性，選取代表性的支撐柱坐標：U1V1、U7V1、U14V1、U1V3、U7V3、U14V3、U1V5、U7V5、U14V5、U3V1、U3V3 和U3V5，共12 個坐標位置。對流體仿真在整個熱歷程中計算得到的工裝溫度場，每隔100s存儲一個溫度場數(shù)據(jù)文件；將包含節(jié)點溫度值的有限元模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，同時施加重力載荷，計算得到對應(yīng)時刻熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下工裝的結(jié)構(gòu)變形量。