復(fù)合材料在熱壓罐中固化分為3個(gè)熱歷程：升溫、恒溫和降溫，此過程中工裝溫度場(chǎng)分布的不均勻性導(dǎo)致各部分熱應(yīng)力分布不均勻，工裝在熱應(yīng)力和自重載荷耦合作用下產(chǎn)生變形。熱歷程中工裝變形量最大值分布如圖6所示，從圖中可得出：

（1）整個(gè)熱歷程中，工裝總變形量最大值達(dá)4.662mm
     
       （2）工裝沿自身長(zhǎng)度方向變形量最大值為4.596mm，與總變形量最大值較為接近。

（3）工裝沿自身寬度方向和高度方向的變形量最大值分別為0.805mm 和0.339mm，其變形量相對(duì)于工裝長(zhǎng)度方向變形量較小。

熱應(yīng)力不均勻?qū)е碌?a target="_blank">變形量最大值為靜力載荷導(dǎo)致工裝變形量的53~734 倍，這說明在復(fù)合材料固化成型過程中，熱應(yīng)力載荷對(duì)工裝結(jié)構(gòu)變形起著決定性作用。

圖6反映出工裝總變形量最大值隨時(shí)間的變化，不能得出熱應(yīng)力不均勻?qū)е碌男兔媛N曲對(duì)型面的影響。對(duì)工裝型面翹曲的表征從沿工裝長(zhǎng)度方向（圖5 中U 方向）和沿工裝寬度方向（圖5 中V 方向）這兩個(gè)方面來闡述：沿工裝長(zhǎng)度方向的翹曲，采用V1 上的U1V1、U7V1、U14V1，V3上的U1V3、U7V3、U14V3 和V5上的U1V5、U7V5、U14V5 位置作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)；沿工裝寬度方向的翹曲，采用U3上的U3V1、U3V3、U3V5，U7上的U7V1、U7V3、U7V5 和U14 上的U14V1、U14V3、U14V5 位置作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由圖7得知：
     （1）沿V3方向，其中間位置、迎風(fēng)端及背風(fēng)端位置由于均受到加熱而使Z向變形量在熱歷程升溫階段逐漸增大；進(jìn)入恒溫階段后，中間位置處Z向變形量基本趨于平穩(wěn)，迎風(fēng)端和背風(fēng)端由于與環(huán)境熱空氣的溫差不一致導(dǎo)致升溫幅度不同，各自的Z向變形量不同；降溫階段，其變形量趨勢(shì)基本與升溫階段相反。
     （2）沿V1和V5方向，迎風(fēng)端位置Z 向變形量在熱歷程中先是低于后又高于中間位置和背風(fēng)端位置的Z向變形量。
     （3）迎風(fēng)端位置相對(duì)于中間位置的Z向變形量先是低于后又高于背風(fēng)端位置相對(duì)于中間位置的Z向變形量。這是因?yàn)橛L(fēng)端雖然首先與環(huán)境空氣相接處，但工裝內(nèi)部的支撐柱在空氣流經(jīng)工裝內(nèi)部時(shí)對(duì)其形成擾流作用，使工裝內(nèi)局部空氣流動(dòng)速度明顯大于工裝外部，中間位置的支撐柱與空氣換熱速率增大。
     （4）V3方向，內(nèi)部支撐柱的擾流作用使背風(fēng)端位置相對(duì)于中間位置的Z向變形量先急劇增大后趨于平穩(wěn)，然后迅速下降；V1和V5方向，其處于工裝外圍與工裝外部流動(dòng)空氣直接接觸，背風(fēng)端位置相對(duì)于中間位置的Z向變形量在整個(gè)熱歷程中變化較平緩。

另外，研究表明：

     （1）沿工裝寬度方向，翹曲變形基本處于對(duì)稱狀態(tài)。

     （2）在U7方向上，兩端位置相對(duì)中間位置的Z向變形量在升溫階段急劇增大，在恒溫階段達(dá)到最大值并緩慢下降，進(jìn)入降溫階段后急劇減小。

     （3）在U3和U14方向上，監(jiān)測(cè)位置處的Z向變形量曲線在熱歷程中基本保持一致；因?yàn)楣ぱb寬度方向尺寸相對(duì)較小，在熱歷程不同階段，空氣流態(tài)在寬度方向上對(duì)溫度場(chǎng)差值影響較小。

     （4）在U3和U14方向上，兩端位置相對(duì)中間位置的Z向變形量在升溫階段急劇增大，進(jìn)入恒溫階段后迅速下降；在恒溫階段后期出現(xiàn)緩慢變化，進(jìn)入降溫階段又迅速下降。

在復(fù)合材料的熱壓罐固化過程中，對(duì)柱支撐形式的固化工裝型面，溫度不均勻性導(dǎo)致的型面翹曲變形較為復(fù)雜。在工裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部，支撐柱存在位置所對(duì)應(yīng)型面的局部變形量大于沒有支撐柱存在的位置，這是因?yàn)橹沃鶎?duì)空氣的擾流作用加快了支撐柱與周圍空氣之間的熱傳遞。圖8為3200s時(shí)工裝溫度場(chǎng)及Z向結(jié)構(gòu)變形量分布云圖。

結(jié)束語(yǔ)

       本文以柱支撐形式建立大型復(fù)合材料固化工裝模型，在保證工裝結(jié)構(gòu)靜力剛度的前提下，計(jì)算得到工裝在熱壓罐固化工藝過程中的溫度場(chǎng)分布，然后把重力載荷，施加到帶有溫度值的有限元模型上進(jìn)行工裝的熱- 結(jié)構(gòu)耦合分析。得到結(jié)論如下：

      （1）成型工裝在熱- 結(jié)構(gòu)耦合作用下，相對(duì)于重力載荷熱應(yīng)力載荷對(duì)工裝結(jié)構(gòu)變形起決定性作用。

      （2）對(duì)工裝型面在垂直型面方向的變形量，有支撐柱存在的位置大于無(wú)支撐柱存在的位置。