一种调整热压罐内流场温度均匀性的方法
【专利摘要】本发明一种调整热压罐内流场温度均匀性的方法属于复合材料热压罐成型【技术领域】，涉及一种调整热压罐内流场温度均匀性的方法。该方法采用有限元的方法模拟复合材料制件热压罐成型工艺，针对模具低温区域进行温度补偿，采用鼓风装置改变热压罐内低温区域流体的流动速度，加快该区域流体和外界的换热速率，使热压罐流场温度均匀。采用Catia软件建立模型，导入Ansys ICEM划分网格；通过流体分析软件模拟热压罐工艺中的流场和温度场，确定热压罐内流场低温区域的位置；在低温区域中确定鼓风装置的安装位置和风速。通过鼓风装置改变热压罐内低温区域流体的流动速度，使热压罐流场温度均匀。该方法提高了复合材料制件成型质量，既节约成本又提高了效率。
【专利说明】一种调整热压罐内流场温度均匀性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于复合材料热压罐成型【技术领域】，特别涉及一种调整热压罐内流场温度 均匀性的方法。
【背景技术】
[0002] 复合材料具有比强度和比模量高以及易于整体成型等许多优异特点，被广泛应用 于航空航天领域，使用最广泛的高品质复合材料构件成型方法为热压罐成型工艺技术。在 复合材料构件热压罐成型过程中，对于罐内流体温度均匀性要求较高。如果罐内流体温差 过大，会造成复合材料构件非同步固化，降低产品的成型质量。在工程实际操作中，一般采 用增加增长保温环节手段来降低罐内流体温差。但是这种方法降低了生产效率，增加了生 产成本。也可以通过对工装模具结构进行优化设计来改善型面温度均匀性，但是，对于结构 复杂的工装，往往不能完全满足要求，在型面的某些位置升温速率很低，会产生较大温差。 还有技术工人可凭借经验调整模具在热压罐中摆放位置，来改善型面温度均匀性，但是需 要多次试验调整，不确定性很大，且效果不明显。
[0003]文献US6309587B1指出将复合材料成型模具做成"蛋箱"型框架式模具有利于模 具温度场均匀性。但是需要修改模具，成本较高，且对于大型复杂的复合材料构件，在模具 底部的一些位置总会出现温度不均匀的现象，很难通过改变模具结构来彻底改善模具型面 各点的温度场均匀性。
【发明内容】
[0004] 本发明为了克服现有技术的缺陷，发明一种调整热压罐内流体温度均匀性的方 法，该方法采用有限元的方法模拟复合材料制件热压罐工艺，可以科学的针对模具低温区 域进行温度补偿，相比于技术人员通过经验试验调整更有效，可以在不改变热压罐成型工 艺的前提下，通过鼓风装置改变热压罐内低温区域流体的流动速度，加快该区域流体和外 界的换热速率，使热压罐流场温度均匀。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种调整热压罐内流体温度均匀性的方法，该方法采用 有限元的方法模拟复合材料制件热压罐工艺，针对模具低温区域进行温度补偿，采用鼓风 装置改变热压罐内低温区域流体的流动速度，加快该区域流体和外界的换热速率，使热压 罐流场温度均匀；方法的具体步骤如下：
[0006] (1)对热压罐模型进行简化，划分网格，建立热压罐有限元分析模型；采用Catia 软件建立模型，导入AnsysICEM划分网格，先进行几何清理，整合碎面，去除小圆倒角以及 不需要的点、线、面；再分别对热压罐内流体域和固体域建立拓扑结构块，然后关联拓扑结 构块和几何模型的点、线、面，对拓扑结构块划分网格，指定每条边的节点数；对于流体域和 固体域接触的近壁区域网格加密，拓扑结构块的网格划分完成后检查网格质量；最后，将拓 扑结构块的网格拓扑到几何模型上，转化为非结构网格并输出；
[0007] (2)仿真计算，通过流体分析软件模拟热压罐工艺中流场和温度场，确定热压罐内 流场低温区域的位置；首先根据模拟的模具型面2的等温线云图5确定温差最大的时刻， 确定该时刻温度最大值Tmax，根据允许温差AT计算控制温度：Trtri =Tmax_AT，从型面等 温线云图确定温度为的封闭区域位置和封闭区域个数，对封闭区域个数进行编号i= a，b，..n;共n个区域，编号对应的面和肋板所围成的空间即低温区域；
[0008] (3)在低温区域中确定鼓风装置的安装位置和风速；在低温区域的肋板3的通风 孔1处布置鼓风装置7,鼓风装置7吹风速度方向垂直于肋板壁面；鼓风装置在模拟计算中 由通风孔所围成的面等效代替，通过设置该面的压降来体现鼓风速度，公式为：
【权利要求】
1. 一种调整热压罐内流场温度均匀性的方法，其特征是，该方法采用有限元的方法模 拟复合材料制件热压罐成型工艺，针对模具低温区域进行温度补偿，采用鼓风装置改变热 压罐内低温区域流体的流动速度，加快该区域流体和外界的换热速率，使热压罐流场温度 均匀；方法的具体步骤如下： (1) 对热压罐模型进行简化，划分网格，建立热压罐有限元分析模型；采用Catia软件 建立模型，导入AnsysICEM划分网格；先进行几何清理，整合碎面，去除小圆倒角以及不需 要的点、线、面；再分别对热压罐内流体域和固体域建立拓扑结构块；然后关联拓扑结构块 和几何模型的点、线、面，对拓扑结构块划分网格，指定每条边的节点数；对于流体域和固体 域接触的近壁区域网格加密，最后，将拓扑结构块的网格拓扑到几何模型上，转化为非结构 性网格并输出； (2) 仿真计算，通过流体分析软件模拟热压罐工艺中的流场和温度场；确定热压罐内 流场低温区域的位置；首先根据模拟的模具型面（2)的等温线云图（5)确定温差最大的时 亥IJ，确定该时刻温度最大值Tmax，根据最大允许温差ΛT计算控制温度=Irtri =Tmax-ΛT，从 型面等温线云图确定温度为Trtri的封闭区域位置和封闭区域个数，对封闭区域个数编号i =a，b，..η;共η个区域，编号对应的面和其支撑肋板所围成的空间即低温区域； (3) 在低温区域中确定鼓风装置的安装位置和风速；在低温区域的肋板（3)通风孔（1) 处布置鼓风装置（7)，鼓风装置（7)吹风速度方向垂直于肋板壁面；鼓风装置在模拟计算中 由通风孔所围成的面等效代替，通过设置该面的压降来体现鼓风速度，公式为：
其中，Ap为通风孔所围成面的流向压降，匕为无量纲的损失系数，P为流体介质的密 度，Vfan为风扇的速度；将鼓风装置的风速从〇逐步提高，通过循环模拟计算确定满足温度 均匀条件的最低风速；温度均匀性条件为模具型面任意时刻温度最大值点和极小值点的温 差小于允许温差ΔΤ; (4) 添加鼓风装置到模拟计算中，得到改善后的温度场； (5) 若改善后的温度场仍然不满足要求，重复步骤（1)-(4)，直至热压罐流场温度满足 工艺要求，确定出要安装的鼓风装置个数和位置。
2. 依据权利要求1所述的一种调整热压罐内流体温度均匀性的方法，其特征是，该方 法中采用的鼓风装置是风机、风管或其他加快气体流动速度的装置。
【文档编号】B29C70/44GK104441698SQ201410729868
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】杨睿, 孙士勇, 林家冠, 牛斌, 钱卫 申请人:大连理工大学