基于先进拉挤工艺的加热管镶嵌式直热模具温度场研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Gaosboy
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本文对复合材料先进拉挤(Advanced Pultrusion,ADP)工艺固化反应的加热管镶嵌式直热模具温度场进行了研究,建立了平板ADP直热模具的传热学模型,基于传热模型建立了仿真模型。通过仿真模型分析了影响模具升温速率和表面温度均匀性的主要因素,发现加热管的功率和间距对模具的升温速率和温度均匀性影响较大。基于仿真计算的结果建立待优化加热管参数关于模具升温速率和温度场均匀性的响应面模型,响应面模型求解的本质是对数学方程求最优值,因此对响应面模型应用遗传算法进行优化求解,最终得到最佳加热管设置方案。优化结果表明ADP直热模具升温速率有所提升,模具表面温度场均匀性得到改善。(1)对由M21预浸料制成的复合材料层合板三个方向的热导率进行了求解,对层合板的等温放热功率进行了求解,确定了定解条件,最终建立ADP直热模具的传热学模型,基于传热模型建立了模具传热的仿真模型,并对仿真模型进行了验证。以模具加热至160℃所需时间tc表征升温速率,以模具温度稳定时表面最大温差Tc表征模具温度均匀性,基于仿真模型讨论了几个因素对模具tc和Tc的影响程度,最终确定加热管功率P1、P2、P3和间距L1、L2、L3对模具升温速率和温度均匀性起主要作用。(2)为了提升ADP直热模具的升温速率,改善温度均匀性,需要对L1、L2、L3、P1、P2、P3这六个参数进行优化。由于代理模型技术能够构建优化参数和优化目标的函数关系,本文选择代理模型中的响应面模型方法,基于仿真计算进行样本试验设计、构建响应面模型、响应面模型拟合度验证,最终得到了六个优化参数关于两个优化目标Tc、tc的响应面模型。响应面模型求解的本质是对数学方程求最优值,由于遗传算法相对于其他优化算法收敛过程可控,因此选取遗传算法对响应面模型进行优化求解,最后采用逼近理想解排序法得到了加热管的最佳设置方案。(3)对优化后的加热管设置方案进行了分析,发现加热管优化设计后的模具升温速率有所提高,模具升温至160℃所需时间相比于初始加热管设置方案减少了220s;加入复合材料层合板且模具温度稳定时,模具表面最大温差为3.1℃,比未优化模具表面最大温差降低了6.9℃。分析了其他因素对ADP直热模具升温速率和温度场均匀性的影响,发现接触热阻的存在使得模具表面5个测点间最大温差达到8.3℃,模具升温时间增加800s。还分析了复合材料层合板对模具表面温度均匀性的影响,发现未加入复合材料层合板,模具表面最大温差为3.7℃,加入层合板且厚度不同对模具表面温度均匀性影响较小。探讨了加热管本身的温度均匀性,应选用长一些的加热管,保证有效加热段与模具重合。对优化设计后的模具进行加工,并对复材层合板进行生产试制,制得的层合板表面光滑无贫胶。
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