【摘要】：復(fù)合材料構(gòu)件在熱壓罐中固化成型時(shí),溫度分布對(duì)其最終的成型質(zhì)量有著重要的影響。本文對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中的溫度分布進(jìn)行研究,并以提高構(gòu)件的溫度均勻性為目的,對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先,利用有限元方法模擬了熱壓罐內(nèi)部的溫度場(chǎng),并與已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過仿真分析,模具表面的溫度呈階梯型分布。然后,進(jìn)一步對(duì)比了模具不同位置處構(gòu)件的固化度,結(jié)果表明模具表面的溫度差異越小,固化梯度越小。據(jù)此,對(duì)模具的型板和支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),來降低模具表面溫度差異。在模具型板改進(jìn)設(shè)計(jì)方面,根據(jù)熱阻和材料厚度成正比的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了梯形型板、階梯型型板和連續(xù)變厚度型板,模擬結(jié)果表明:變厚度型板較等厚度型板,能大大提高模具表面的溫度均勻性。其中,梯形型板將溫度方差和最大溫差分別降低了80.38%和34.73%;階梯型型板將溫度方差和最大溫差分別降低了73.66%和41.31%;連續(xù)變厚度型板將溫度方差和最大溫差分別降低了83.9%和37.72%。在模具支撐結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方面,在保證模具吊運(yùn)剛度要求的前提下,考慮了散熱孔形狀、支撐板厚度、多模具垂直入罐間距和骨架式支撐結(jié)構(gòu)對(duì)表面溫度均勻性的影響。模擬結(jié)果表明:采用方形散熱孔的模具溫度分布最均勻,但是結(jié)構(gòu)剛度差于菱形和圓形散熱孔;當(dāng)支撐型板厚度越薄,模具表面溫度分布越均勻,其中溫度均勻性對(duì)于垂直于風(fēng)向方向的支撐板厚度,相對(duì)于平行與風(fēng)向方向的支撐板厚度,更加敏感;當(dāng)多模具垂直間距越小,模具間的相互影響變大,溫度均勻性及升溫能力下降;骨架式模具在同等的最大吊運(yùn)變形要求下,相對(duì)于框架式模具能提供更加均勻分布的溫度。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V261
【圖文】：

熱壓罐成型工藝主要是利用溫度變化的氣體來對(duì)復(fù)合材料構(gòu)建進(jìn)行加溫，保溫和降溫。利用鼓風(fēng)系統(tǒng)使得罐內(nèi)的空氣可以循環(huán)流動(dòng)。在升溫階段，循環(huán)空氣通過加熱器進(jìn)行加熱，保證溫度氣體均勻上升，在降溫階段采用循環(huán)水冷卻，使得氣體在循環(huán)中均勻降溫。本文對(duì)復(fù)雜的熱壓罐氣體循環(huán)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，根據(jù)其工作內(nèi)腔將其簡(jiǎn)化成一個(gè)圓柱體，圓柱體一端是氣體入口，另一端是氣體出口。簡(jiǎn)化了熱壓罐原有的加熱和冷卻系統(tǒng)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了模具上的一些輔助裝置。如圖 2.3 和圖 2.4 所示，復(fù)合材料成型模具和熱壓罐的簡(jiǎn)化模型�？蚣苁侥＞哂蓛刹糠纸M成一部分是與復(fù)合材料構(gòu)件直接接觸的型板。另一部分為支撐結(jié)構(gòu)一般與型板焊接在一起，其為模具提供支撐。支撐結(jié)構(gòu)通常采用“雞蛋格子”的形狀，可以節(jié)省材料和減輕重量，并且加強(qiáng)底部的空氣流動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中模型數(shù)據(jù)，本文模擬的模具尺寸為 1700×1500×400mm，材料為 Q235；熱壓罐簡(jiǎn)化模型為圓柱體，模型直徑為 2500mm，長(zhǎng)度為 7000mm，罐內(nèi)流體為空氣�？諝馀c Q235 的熱物性如表 2.1 所示。表 2. 1 材料的熱屬性材料 密度/( kg·m-3) 比熱 /( J·kg-1·K-1) 熱導(dǎo)率/( W·m-1·K-1)Q235 7850 470 49.8空氣 1.225 1006.43 0.0242

圖 2. 4 簡(jiǎn)化框架式模具和熱壓罐模型為了使得 CAD 模型可以在 ANSYS FLUENT 等計(jì)算流體力學(xué)軟件中進(jìn)行運(yùn)算分析，需要對(duì)當(dāng)前的數(shù)模進(jìn)行區(qū)域離散化，即對(duì)需要計(jì)算的區(qū)域劃分網(wǎng)格。目前常用的有限元網(wǎng)格類型主要是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。其中，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的主要優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)格質(zhì)量高、生成的速度快和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是它的適用性差，只適用于形狀較為規(guī)則的模型。但遇到復(fù)雜的幾何模型時(shí)，使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格往往得不到理想的效果。而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格它生成速度慢，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有較高的要求，但是它的幾何形狀適應(yīng)性好，幾乎能對(duì)任何復(fù)雜的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于本文中分析的模型幾何形狀較為簡(jiǎn)單，對(duì)其進(jìn)行幾何分割處理，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。此外，Chen[10]提出由于流體具有粘性，使得流圖交界區(qū)域出現(xiàn)邊界層，如圖所示。對(duì)流固交界區(qū)域劃分邊界層網(wǎng)格能提高計(jì)算精度。流體邊界層如圖 2.5 所示。度自由來流U0.99U

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2740153