树脂基复合材料等厚层板热压工艺过程压力制度的优化方法

摘要

本发明是一种利用计算机模拟对树脂基复合材料等厚层板热压工艺的压力制度进行优化的数字化方法，该方法包括有制件构形与网格剖分单元、成型工艺参数设置单元、材料特性数据库单元、树脂基复合材料热压成型模拟单元、制件质量预测单元、工艺参数优化目标与方法单元、优化工艺参数单元。该方法通过遗传算法，利用树脂基复合材料热压成型模拟单元树脂流动与纤维密实关系式G

说明书

技术领域：

本发明涉及一种热压工艺的优化方法，具体地说，是指一种适用于树脂基复合材料等厚层板热压工艺过程压力制度的优化方法，是通过计算机、树脂基复合材料热压成型模拟单元、工艺参数优化目标与方法单元实现的，采用本发明方法能够在脱离实际生产线条件下快速确定满足目标要求的优化压力制度，并且优化的工艺制度可以与热压成型数控系统相结合，指导树脂基复合材料等厚层板热压成型工业化作业。

背景技术：

热压成型一直是航空航天领域生产主承力结构先进树脂基复合材料制件最重要的工艺方法，然而高昂的制造成本严重制约了它的发展和应用。目前造成先进树脂基复合材料构件制造成本过高的主要原因如下：(1)研制模式落后，研制周期长、效率低。当前研制复合材料结构都是采用试验摸索，先是试样的试验，再做缩比件试验，经过反复数次确定制造工艺，研制周期长；复合材料结构工艺参数的优化都是凭经验和试验，费用高，科学性差。(2)制造规范不通用。针对某一复合材料构件从大量试验摸索形成的一种较合理的制造工艺规范，只适用这一特定情况，复合材料构件结构形式一旦改变，又需要新做大量试验，耗资耗时。(3)制件质量可控性差，造成复合材料性能分散，材料许用值低，构件合格率低。解决先进树脂基复合材料制造成本过高的主要方法：开展制造过程数值模拟和优化，发展新型高效低成本制造技术。其核心是在弄清制造过程热化学、热物理变化的基础上，实现研制模式的转变和制造过程的模拟与优化。

在热压成型中，树脂基复合材料在热和压力作用下发生一系列物理、化学变化和化学-物理的耦合变化，包括热传导、固化放热、树脂流动、纤维密实等，它们一方面决定着最终制件性能，反映工艺参数的合理性；另一方面又受到原材料特性和制件形状的影响。树脂基复合材料热压成型典型工艺制度(参见图1C所示)包括有温度与时间的关系(又称温度制度)、压力与时间的关系(又称压力制度，即压力大小和加压时机)。成型压力决定着树脂流动过程驱动力的大小，同时压力大小和加压时机是影响最终层板纤维含量、分布均匀性以及层板厚度的主要因素，建立成型过程数学模型和工艺参数优化方法，采用计算机及数值技术，在脱离生产线的情况下，预测制件成型质量、评价成型工艺、优化工艺参数，快速制定满足目标要求的最佳工艺制度，是目前实现树脂基复合材料低成本、高品质制造的科学途径之一。

发明内容：

本发明的目的是提出一种等厚层板热压过程压力制度的优化方法，是一种适用于提高树脂基复合材料制件热压成型质量的工艺优化方法。该方法通过遗传算法，结合树脂基复合材料热压成型模拟单元树脂流动与纤维密实关系式G₁和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G₂，在温度制度的基础上，可以对压力大小和加压时机进行优化，获得满足目标纤维体积分数及其分布均匀，效率最高且工程可行的压力制度。采用本发明获取的优化工艺参数与热压成型中的数控系统相结合，可以指导树脂基复合材料等厚层板热压成型的工业化作业，缩短研制周期、降低制造成本，提高产品质量。

本发明是一种利用计算机模拟对树脂基复合材料等厚层板热压工艺的压力制度进行优化的数字化方法，该PCO(Pressure Cycle Optimization)方法包括制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2、材料特性数据库单元3、树脂基复合材料热压成型模拟单元4、制件质量预测单元5、工艺参数优化目标与方法单元6、优化工艺参数单元7。所述层板质量预测单元5，在已知所述制件构形和初始设置参量F₁的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F₂和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F₂，并将初始设置参量F₁、工艺参量F₂和材料参量F₃在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，存储在制件质量预测单元5中。所述优化工艺参数单元7，在拾取所述制件构形与网格剖分单元1中制件初始设置参量F₁，拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F₂和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F₃，在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，并与所述工艺参数优化目标与方法单元6中的优化目标参量F₄进行比较，结合相应的工艺参数优化方法，调整成型工艺参数，得到满足优化目标参量F₄的工艺制度参数，输出并存储在优化工艺参数单元7中。运用本发明PCO方法，在温度制度的基础上，可以对压力大小和加压时机进行优化，获得满足目标纤维体积分数及其分布均匀，效率最高且工程可行的压力制度。

本发明树脂基复合材料等厚层板热压工艺过程压力制度优化(PCO)方法具有如下优点：

一、制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2通过可视化的界面进行参数设置，将其引入树脂基复合材料热压成型的模拟单元4中，其操作简单，模拟效率高，实时性强；

二、采用较为成熟的材料特性数据库3，使模拟所需的与树脂和纤维特性相关参量的准确度得到了保证，因此模拟精度高；

三、树脂基复合材料热压成型模拟单元4基于数学模型与计算机技术相结合，能够对树脂基复合材料等厚层板热压成型中树脂流动与纤维密实过程进行模拟，能预测层板厚度和纤维体积分数，避免工业化生产中出现层板内纤维分布不均匀等成型问题；

四、工艺参数优化目标与方法单元6、树脂基复合材料热压成型模拟单元4相结合与制件质量预测单元5，采用遗传算法能够在脱离实际生产线状态下优化压力制度，优化工艺参数7与热压成型数控系统相结合，可以指导树脂基复合材料等厚层板热压成型的工业化作业，缩短研制周期、降低制造成本，提高产品质量。

附图说明：

图1为树脂基复合材料热压成型模拟系统的结构示意框图。

图1A为本发明等厚层板初始条件设置单元的设置界面示意图。

图1B为本发明成型工艺参数设置单元的设置界面示意图。

图1C为本发明树脂基复合材料热压成型典型工艺制度示意图。

图1D为本发明优化目标设置的界面示意图。

图2为本发明层板模型结构示意图。

图3为T700SC碳纤维/环氧5228树脂层板的结构示意图。

图3A为T700SC碳纤维/环氧5228树脂层板的网络剖分示意图。

图3B为T700SC碳纤维/环氧5228树脂层板的计算机界面。

图4为t＝3000s层板厚度方向纤维体积分数分布。

图5为t＝3000s层板厚度方向纤维承载压力分布。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种利用计算机模拟对树脂基复合材料等厚层板热压工艺的压力制度进行优化的数字化方法，所述压力制度优化方法简称为PCO(Pressure CycleOptimization)方法，PCO方法包括制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2、材料特性数据库单元3、树脂基复合材料热压成型模拟单元4、制件质量预测单元5、工艺参数优化目标与方法单元6、优化工艺参数单元7(参见图1所示)。

所述层板质量预测单元5，在已知所述制件构形和初始设置参量F₁的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F₂和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F₂，并将初始设置参量F₁、工艺参量F₂和材料参量F₃在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，存储在制件质量预测单元5中。

所述优化工艺参数单元7，在拾取所述制件构形与网格剖分单元1中制件初始设置参量F₁，拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F₂和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F₃，在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，并与所述工艺参数优化目标与方法单元6中的优化目标参量F₄进行比较，结合相应的工艺参数优化方法，调整成型工艺参数，得到满足优化目标参量F₄的工艺制度参数，输出并存储在优化工艺参数单元7中。

参见图1A所示，在本发明中，制件构形与网格单元1中的制件初始设置参量F₁包括吸胶方式、预浸料初始纤维体积分数、预浸料铺层层数、层板初始厚度，这些参量可以通过界面方式录入。

参见图1B所示，在本发明中，成型工艺参数设置单元中的工艺参量F₂包括有温度-时间关系、外加正压力、真空度、加压时机，这些参量可以通过界面方式进行参数录入，也可以通过数学模型解析获得后存储于计算机中，等待运用时提取相应的文件即可。

参见图1C所示，树脂基复合材料热压成型典型工艺制度示意图，包括有温度与时间的关系(又称温度制度)、压力与时间的关系(又称压力制度)。图中，横坐标t_c是指工艺时间(单位：s)，0～t_c1表示第一段工艺时间，t_c1～t_c2表示第二段工艺时间，t_c2～t_c3表示第三段工艺时间，t_c3～t_c4表示第四段工艺时间；左边纵坐标T是指在有效工艺时间内的热压成型温度，T₁表示在第一段工艺时间初始温度，T₁取值为18～33℃；T₂表示在第二段工艺时间的温度，T₂取值为70～160℃；T₃表示在第四段工艺时间的温度，T₃取值为100～210℃。在第四段工艺时间之后自然冷却至室温。横坐标t_cjia表示加压时刻(又称加压时机)，以工艺时间的零点为基准；右边纵坐标是指在有效工艺时间内的热压成型压力，P₁表示真空度，P₁取值为0.0～0.1MPa；P₂表示t_cjia之前层板所受环境大气压，通常P₂取值为0.1MPa；P₂表示t_cjia之后施加的外力(是指表压)，P₃取值为0.1～2.0MPa。

在本发明中，材料特性数据库单元3中的材料参量F₃包括有树脂种类、纤维种类、织物类型、铺层方式；所述树脂种类是环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、双马树脂等；所述纤维种类是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等；所述织物类型是单向预浸料、单向织物、平纹织物、斜纹织物、缎纹织物等；所述铺层方式包括单向铺层、正交铺层、准各向同性铺层等；树脂种类的不同，其粘度模型以及模型中涉及参数的取值不同，可以采用流变仪测试得到；纤维种类、织物类型、铺层方式影响纤维层渗透率、纤维层的压缩特性，采用实验室自行设计的测试装置进行测量；材料特性数据库包含了所述与树脂种类相关联的粘度数据、所述与纤维种类、织物类型、铺层方式相关联的渗透率、压缩特性数据，是北京航空航天大学材料学院经多年对树脂基复合材料体系进行实验研究、测试、测量获得的，具有准确性、可靠性，曾被北京市聚合物基复合材料技术实验室用作工艺分析的数据源之一。

在本发明中，所述压力制度的优化是在热压成型中设定温度制度条件下，分别对工艺压力P_c和加压时机进行优化。所述压力制度包括工艺压力P_c和加压时机，所述温度制度与树脂相关，所述工艺压力P_c是指外加压力P_a与真空度P_b之和，外加正压力P_a是指热压罐气压或热压机机械压，真空度P_b是指预浸料封装体系内的真度，所述工艺压力P_c的优化是在温度制度和加压时机确定的条件下，通过遗传算法得到满足目标所需工艺压力值。所述加压时机的优化是在温度制度和工艺压力值确定的条件下，通过遗传算法得到满足目标所需加压时机。

在本发明中，工艺参数优化目标与方法单元6，采用遗传算法进行优化；参见图1D所示，所述工艺参数优化目标与方法单元6中的优化目标参量F₄是目标平均纤维体积分数。

在本发明中，公知计算机的最低要求为CPU PIV 1.8G以上，内存256M以上，硬盘20G以上。借用计算机所固有的运算特性，树脂基复合材料热压成型过程的数字化模拟方法操作方便、模拟结果精确。通过计算机模拟能够有效地缩短研制周期、降低研制成本，提高制件质量。

在本发明中，在温度制度和加压时机确定的条件下，工艺压力P_c的优化步骤有：

第一步：在工艺压力P_c(0.1＜P_c＜2.0MPa)条件下，拾取适应度函数Fi；

所述适应度函数