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复合材料构件热压罐成型工装设计关键技术研究

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第一章 绪 论

第二章 复合材料构件热压罐成型传热模型及其求解

第三章 复合材料构件热压罐成型变形预测及工装型面补偿

四章 复合材料构件工装的快速设计技术

第五章 复合材料构件工装设计系统研究与实现

第六章 总结与展望

参 考 文 献

致 谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

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摘要

热压罐成型是复合材料构件的主要制造方法之一，在该方法中，构件的几何形状是由成型工装来保证的，因此，工装的质量直接影响复合材料构件的质量。在目前生产实际中，影响复合材料构件成型精度的主要因素是固化过程中的变形，现有的解决方法是通过大量的实验、反复试凑对工装型面以及结构进行修改，这样难免使得工装的制造出现加工迭代，生产效率低且成本高。本文试图通过对热压罐成型中复合材料构件的变形预测，将变形补偿纳入到成型工装的设计中，达到以成型中的反变形来提高构件几何精度的目的。针对该问题，本文对复合材料构件热压罐成型工装设计的若干关键技术进行了研究，具体包括：复合材料构件热压罐成型传热规律、变形预测及其工装型面补偿技术、复合材料构件工装快速设计技术等。所取得的主要成果如下： 针对热压罐成型中工装对复合材料构件内部温度场的影响，分析了复合材料构件沿厚度方向的传热规律，建立了热压罐成型的复合材料构件一维热传导模型。该模型将工装支撑结构等效为改善工装模板下表面传热效果的扩展装置，能有效的描述工装对复合材料构件传热的影响。 通过解析法对热传导模型进行求解，得出了复合材料构件、工装模板以及工装支撑沿复合材料构件厚度方向的温度分布方程；利用傅立叶级数对温度分布方程进行了简化，得到复合材料构件和工装结构沿厚度方向的近似温度分布方程，该方程可用于分析不同工装材料以及升（降）温速率对复合材料构件温度分布的影响。 提出了基于有限元方法的复合材料构件热压罐成型变形预测方法和基于构件型面节点变形的工装型面补偿算法。在分析固化过程中不同形态下的树脂力学性能的基础上，建立了不同形态下树脂的复合材料力学模型和复合材料固化过程中的三维热－化学模型，通过Newton Raphson ?迭代法对该模型进行了求解，基于有限元方法实现了对复合材料构件变形的预测；根据变形预测的结果，以成型后的反变形来提高复合材料构件的几何精度为目标，实现了对工装型面的补偿。通过与现有文献中的实验结果进行比较验证了本文方法的正确性，并将该方法应用于某飞机蒙皮的变形预测及其工装型面的补偿。 针对工装模板的快速设计，提出了复合材料构件工装型面快速等距算法，该算法能将工装型面和等距曲面通过同一隐式曲面进行表达，较好的保持原始曲面的细节特征，避免传统设计方法中烦琐的曲面修复、等距、裁剪等操作。针对模具支撑结构的快速设计，提出了工装支撑结构的级联参数化设计方法，将工装支撑的设计参数分为支撑层、具体层和草图层，设计者只需关注支撑层的设计参数就可通过级联驱动规则设计出支撑结构。提出了复合材料构件工装型面的可加工性多属性评价算法，设计人员可利用工装型面以及工装结构本身的几何特征信息判断工装的可加工性，对复合材料构件工装设计有较大的参考价值。 提出了基于八元集合模板和专用模块的工装设计系统集成方法，该方法通过模板技术将设计过程中的专家知识和经验集成于设计系统中，以此支持工装设计过程中的创新设计活动中，克服了模块化设计方法柔性不足的问题，同时结合模块化设计方法的优点，对工装结构相对固定的部分，采用专用模块的方法集成于工装设计系统中。基于以上的工装设计系统集成方法，开发了复合材料构件工装设计系统。

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