热压罐工艺成型先进复合材料构件的温度场研究综述

图 2 热压罐工艺的传热过程
先进航空 复合材料构件采 用热压罐工艺 成型 时, 在升温过程中热源有两个: 一个是电热源 ( 热阻 丝 ), 另一个是内热源 (树脂基复合材料固化放热 ), 热源的热量传递路径见图 3 。
图 1 用于制造 B787复合材 料机身的大型热压罐
2 热压罐工艺的传热路径和传热方式
2009 年第 3 期
玻璃钢 /复合材料
81
热压罐工艺成型先进复合材料构件的温度场研究综述
王永贵, 梁宪珠, 曹正华
( 北京航空制造工程研究所 , 北京 10024 )
摘要 : 在分析热 压罐工艺传热路径和传热方式的基础上 , 从热 压罐温度 场 、 框架 式模具温 度场和 构件温度 场三个 层次讨 论了国内外热压罐工 艺温度场的研究情况 , 指出框架式模具温度 场 、 壁 板级构件温 度场和盒 段级构件 温度场将 是以后 研究的 重点 。 关键词 : 热压罐温度场 ; 模具温度 场 ; 构件 温度场 中图分类号 : T B332 文献标识码 : A 文章编号 : 1003- 0999( 2009) 03- 0081- 05
对有效尺寸
2. 6
8 . 0m 的热压罐通过强循环气体加热 , 当存在压力时 1 . 5 。北京航空制造工 3 . 5 9 . 0m 的热压罐通过强
使热压罐 进入保 温状 态, 每个热 电偶 的读 数应 为 (或 182 5. 5
循环气体加 热, 当存在压力达 200 时实验测得温 从以上可以看出 , 热压罐空载温度场均匀度都 比较小 , 研 究 比较 成 熟, 已 经形 成 工程 化的 验 收 标准。 4 2 框架式模具温度场 美国 Gn iatczyk等
在热压罐工艺中 , 以电热阻丝作为加热源 , 以流 体介质ຫໍສະໝຸດ Baidu( 低温一般为空气, 高温为惰性气体 ) 作为传 热载体 , 以风机作为动力, 完成对模具进行循环加热 过程; 降温时通过循环水带走热量来完成。温度比 较高时 , 热压罐罐壁蓄热比较大 , 无论是升温过程还 是降温过程在罐壁和框架式模具 间都会发生热 辐 射。在热历程中 , 框架式模具内部各点总会出现温
4 热压罐工艺的温度场
4 1 热压罐温度场 美国波音标准
[ 1]
加拿大 Andrew Johnston 等
[ 2]
通过实验 测量三
种规格热压罐热历程的传热系数来预测热压罐温度 关于热压罐温度场均匀性 规
3
场分布, 分析压力可以明显改善热压罐温度场的均 匀性和缩短热历程时间。 国内昌飞公司贾成贵等 实验测得温度均匀度为 程研究所对有效尺寸 度均匀度为 1 . 8 。
图 3 热压罐工艺成型时的传热方式和传热路径 ( 升温 )
热压罐工艺成型先进复合材料航空构件时, 在 降温过程中材料固化反应几乎已经完全结束, 所以 可以忽略 内热 源。此 时, 热量 主要通 过传 热载 体
收稿日期 : 2008 04 09 本文还有张博明 , 戴福洪和张铖。 作者简介 : 王永贵 ( 1977 ) , 男, 高工 , 主要从事复合材料结构制造工艺研究。
3 热压罐工艺温度场的研究途径
热压罐工艺的温度场研究通常主要采用两种途 径来进行 : 数值模拟和实验测试。两种途径根据实
图 4 热压罐工 艺成型时的传热方式和传热路径 ( 降温 )
际需求不同各有自身的优缺点, 见表 1 , 而且两种途 径的优劣常常互为补充。
从以上分析可以看出 , 先进复合材料航空构件 采用热压罐工艺成型时, 其温度场分布是一个非常
1 前
言
度差异从而引起其内部热传导发生 , 整个过程如图 2所示。
热压罐工艺是研究和制造航空航天高品质先进 树脂基复合材料构件的主要工艺方法之一。现今 , 先进航空复合材料构件的长度、 宽度和厚度尺寸越 来越大 , 为了适应这些构件的制造需求, 热压罐的直 径和长度也越来越大。近来 , 美国已经用号称全球 最大的热压 罐 ( 工作区 面积为 9 23 m ) 来制 造 B787 复合材料机身段 , 见图 1 。因此 , 随着先进 复 合材料构件尺寸和热压罐设备尺寸的变大, 与之紧 密相关的成型温度场备受科研工作者和工程技术人 员的重视和关心。
[ 3]
定 : 对于每约 283. 17m ( 10000 立方英尺 ) 及其以下 的热压罐区域, 如图 5 所示放置 9 个热电偶, 以大约 5 . 5 /m in 的速率将罐温加热至 127 ( 或 182 )。 (或 182 )。 在控制热电偶达到 127 127 5 . 5 ) 后的 10 m in 内
FRP /CM
2009 N o 3
82
热压罐工艺成型先进复合材料构件的温度场研究综述
2009 年 5 月
( 一般为气体 ) 向冷水管传递。降温时的热量 传递 路径见图 4 。
复杂的问题, 常常按两种研究途径来进行, 分别为数 值模拟和实验 测试。按研究 对象分三个层 次来研 究, 分别为热压罐温度场、 框架式模具温度场和构件 温度场。在这里 , 我们分别从三个层次来综述热压 罐成型时温度场的研究现状。
表 1 热压罐工艺的温度场的研究途径优缺点对比
数值模拟 1数值模拟计算受研究对象尺 寸限制较 小 , 一般都 可在 计算机上实现。 优点 2分离影响研究对象的各个因素比较便捷。 3可以较为明晰地研究框架式模具的传热方式和换热机理。 4实验验证次数少 , 成本低、 周期相对较短。 1与工程实际情 况相 比偏 差较 大。 由于 在进 行数值 模 拟时都会作不同程度的简化和假设 , 使得与工程 实际情 缺点 况会不可避免地产生或多或少的偏差。 2温度场动态变化情况难以真 实表现 , 温 度随热历 程变 化图比较规整。 实验测试 1较准确地反映工程实际情况。在有限范围的 实验测试 , 可以 较为准确地 以最终结果形式满足工程实际所需。 2能够动态地反映真实情况 , 温度随热历程变化图的锯齿状比较明显。 3研究途径比较直观。 1影响因素完全精确分离研究难度大。对热压罐工艺框架式模具温度场均匀 性的影响因素很多, 很难非常精确的把单个因素完全分离出来进行研究。 2框架式模具尺寸规格受限。 3探寻传热方式和换热机理较困难 , 影响因素 对温度场均匀性 的贡献程度 较难把握。 4实验次数多 , 成本高 , 周期长。