[發明專利]復合材料熱壓罐成型溫度場交互式耦合數值模擬方法

有效

• 申請號: 201710369143.3
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107025366B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 湛利華;賀佳陽;殷銳;常騰飛;吳欣桐;劉桂銘;蔣成標;康旭輝
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 歐穎;吳婷

一種復合材料熱壓罐成型溫度場交互式耦合數值模擬方法，包括建立熱流計算模型得到流場與流體溫度場、建立固化成型計算模型得到復合材料構件與成型模具形成的固體溫度場等過程，再基于熱流計算模型的迭代計算與固化成型計算模型的迭代計算進行溫度的交互，實現流體與固體之間溫度的耦合，本發明考慮了模具溫度場與構件溫度場對氣流場的影響，采用基于迭代步的雙向耦合分析，在每一個迭代步中都設置有固體溫度場與氣流場之間的數據交互，考慮了固體溫度場與氣流場之間的強耦合作用，有效地解決了背景技術中所存在的溫度場偏差問題，提高了模擬結果的可靠性，使模擬更符合實際，為后續應力、應變分析奠定基礎。

技術領域

本發明涉及復合材料成型數值模擬技術領域，特別的，涉及一種復合材料熱壓罐成型溫度場交互式耦合數值模擬方法。

背景技術

復合材料以其高比強度和比剛度、可設計性強以及便于大面積復雜制件整體成型等優良特性，在航空航天等高科技領域得到了廣泛應用。熱壓罐成型工藝由于罐內較均勻的溫度場和壓力場以及成型制件孔隙率低、力學性能穩定等優點，目前已成為大型飛機等航天領域用復合材料承力構件的主要成型工藝。

復合材料構件熱壓罐成型具體工藝過程大致為：將復合材料預浸料按照要求鋪貼在模具型面上，并用真空袋封裝抽真空，置于熱壓罐中，以電熱阻絲作為加熱源，以空氣介質作為傳熱載體，以風機作為動力，完成對模具及復合材料的循環加熱。在整個加熱過程中，由于復合材料會發生固化反應，反應過程會產生大量熱量，該熱量對模具的溫度場也會產生影響。因此，在熱壓罐中復合材料構件的溫度場與模具的溫度場是互相影響的，二者之間是存在強耦合關系。

現有技術中對復合材料構件熱壓罐成型過程溫度場的數值模方法已經有很多，但是已有的數值模擬分析大多數都是對復合材料構件溫度場與流體溫度場分別單獨進行分析，即流體溫度場與構件溫度場之間的影響是單向的，只考慮流體溫度場對構件溫度場的影響，在分析流體溫度場時沒有考慮復合材料固化反應所放熱量對流體溫度場的影響，因此，現有的數值模擬方法所得到的溫度場與構件的實際溫度場之間的偏差較大，結果的可靠性不高，特別是對于大尺寸承力構件，這種偏差會進一步增大。

中國專利201110451986.0公開了一種基于有限元分析的復合材料構件熱壓罐成型工裝型面設計方法，該方案雖然在構件的固化變形分析過程中提出了建立氣流場－溫度場耦合關系，但其氣流場－溫度場耦合關系也只是單向的，其只考慮了氣流場對模具溫度場及構件溫度場的影響，而并沒有考慮模具溫度場及構件溫度場對氣流場的影響。

復合材料制件的固化成型過程溫度場是影響其成型質量的關鍵環節之一，通過數值模擬得到可靠的制件固化成型過程的溫度場，對于實現其形性協同制造具有重要的指導意義，因此，現有技術中需要一種方案，既考慮氣流場對模具溫度場及構件溫度場的影響，又考慮模具溫度場及構件溫度場對氣流場的影響。

發明內容

本發明目的在于提供一種復合材料熱壓罐成型溫度場交互式耦合數值模擬方法，以解決背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種復合材料熱壓罐成型溫度場交互式耦合數值模擬方法，包括以下步驟：

1)建立熱流計算模型，所述熱流計算模型包括熱壓罐內流體流動計算模型及氣體與固體接觸面之間的流體熱傳遞計算模型，所述固體包括模具及置于模具型面上的待成型復合材料；

對熱流計算模型設立初始邊界條件，通過熱流計算模型第1次迭代計算得到熱壓罐內的流體速度場與流體溫度場，通過第1次迭代得到的流體速度場計算流體的熱傳遞系數h₁，通過得到的流體溫度場提取流體與模具、復合材料接觸處的壁面溫度Tf₁；

2)建立固化成型計算模型，所述固化成型計算模型包括復合材料與模具型面之間熱傳遞計算模型、固體內部的熱傳遞計算模型及復合材料固化放熱計算模型；