其是当热压罐尺寸较大，零件较厚时，罐内温度影响因素复杂（图1所示）。一方面，存在温度控制延时的问题，尤其是对于大尺寸零件，其高温区温度上升较快，而低温区温度上升速率较低，而实际工艺中要求低温区的滞后偶监测的温度必须达到保温条件才开始进行保温处理，因此在实际过程中有很长的等待时间；另一方面，在升温过程中由于零件内部的固化放热，还将导致局部温度过冲以及固
1 引言
在民用航空领域，研制高性能飞机离不开复合材料成型技术，波音B787飞机的复合材料用量已经达到了50%，而大尺寸复合材料结构件的使用是提高其用量的关键[1-3]。热压罐工艺是目前制备高性能复合材料结构件的主要方法，成型时零件温度变化满足工艺规范要求是保证零件质量的前提，而实际成型过程中热压罐内温度场影响因素复杂，尤
摘 要 针对民用飞机复合材料结构件热压罐成型工艺，开展起成型过程温度场闭环模拟研究。结合Fluent 软件初步建立了基于监测偶温度变化动态反馈调整热源功率的热压罐温度场模拟的闭环控制程序，试算标准固化程序，结果得到试验验证。建立了多监测点耦合控温算法，实现了实际热压罐工作过程中，空气偶、领先偶和滞后偶协同控温过程，初步建立了小尺寸热压罐工装热分布模型，实现了热压罐成形过程中，罐内温度场及工装热分布模拟，能较好的反应热压罐工作过程中不同位置温度差异情况以及热压罐控温延迟效果，为复合材料热压罐生产工艺提供指导。
香港紫荆花关键词 复合材料； 热压罐； 温度场； 闭环模拟
复合材料结构件热压罐成型温度场闭环模拟
汪敏，李振友，徐鹏，刘小林，刘奎
（中国商飞上海飞机制造有限公司， 上海 200123）
ABSTRACT Clod-loop simulation of temperature field in the process of autoclave forming for composite structural parts of civil aircraft was carried out in this paper. Combined with Fluent software, a clod-loop control program which can change the heat source of the autoclave bad on the dynamic feedback of a monitoring thermalcouple was preliminarily established.The standard curing program was calculated and the results were verified by experiments. A temperature control algorithm bad on multi thermalcouples is established. And the algorithm can realize the cooperative temperature control process bad on the air thermocouple, the leading thermocouple and the lagging thermocouple during the autoclave process. The heat distribution model of small-size tooling was established preliminarily, and the temperature distribution in the tank and tooling heat distribution in the process of autoclave forming was realized. It can better reflect the temperature difference at different positions and the delay effect of temperature control during the w
orking process of autoclave, and provide guidance for the production process of composite.
KEYWORDS composites; autoclave; temperature field;clod-loop simulation
第4期2019年9月
No. 4 57Sep. , 2019
FIBER COMPOSITES
纤维复合材料
Temperature Field Clod-loop Simulation of Autoclave Molding for
Composite Structures
WANG Min,Li Zhenyou, XU Peng,LIU Xiaolin,LIU Kui
(COMAC Shanghai Aircraft Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 200123)
582019年
纤维复合材料程度较低，无法反应复合材料内部固化放热现象以及实际过程中的控温延时问题。为此，考虑到工程需求，本文基于实际复合材料热压罐成型工艺控温过程，对Fluent 进行二次开发，以实现对复合材料热压罐成型过程温度场的闭环模拟。
人寿意外保险2 理论模型
2.1罐内流体力学模型
热压罐的基本原理是气流通过加热后在热压罐内循环，并对工装和材料进行加热，最终使材料达到固化温度并发生固化反应。罐内流体的运动满足连续方程和动量方程：
（a）连续方程
其中， 为流体质量密度。（b）动量方程
在动量守恒方程中，引入Newton 切应力公式及Stokes 的表达式，可得三个速度分量的动量方程：
其中， 为流体动力黏度， 为流体压力, 、 、 为3个动量方程的广义源项，上式即为三维非稳态Navier-Stokes 方程，无论对层流或湍流都是适用的。2.2 热化学模型
热固性树脂基复合材料的固化过程，可以看作是一个具有非线性内热源的瞬态热传导问题，其中内热源就是化学反应热。求解该瞬态热传导问题，就可以得到复合材料构件内部任意时刻的温度场。忽略树脂的流动以及热对流的影响，根据Fourier 热传导定律和能量守恒方程，可以得到笛卡尔坐标系下该问题的控制方程：
其中 和 分别为复合材料等效密度、比热和各向异性材料的导热系， 为内热源，实际工
化温度场不均。非均匀的温度场还会引起零件上产生温度领先点与滞后点，如果局部温度过冲超过许用值、领先点与滞后点差异超过工艺规范，一旦温度超过允许范围，易产生固化不均，造成如残余应力引起的变形，影响材料性能将甚至导致零件报废[4，5]。热压罐内温度场分析技术是预测复合材料构件热压罐成型过程中温度场均匀性的有效法，对保证构件质量有着重要的意义。同时温度场分析的结果对成型工装的设计优化有一定的指导意义，缩短成型工装设计的周期，满足工装热均匀性要求[6-8]。
图1 热压罐温度场影响因素
工程上对每一类复材零件，都要有一个1:1的全尺寸件进行热分布测试，确定零件的温度场，保证零件固化的热压罐工艺质量，由于复合材料本身高昂的价格、较长的工艺时间以及热压罐工艺本身的复杂性，这使得热分布测试耗费大量的时间和成本，且难以归纳总结经验，迫切需要开展该方面数值仿真研究。目前文献报告中关于热压罐成型温度场数值模拟的研究主要包括两个方面[9-11]。一是基于Fluent，将热压罐简化成前后开口的直筒结构，忽略热压罐内部热源、风扇、整流栅格的影响，直接将固化工艺曲线作为入口条件进行加载；另一方面是采用ESI 集团的热压罐专业模拟软件AUTOCLAVE 模拟固化过程。其中，直接将固化温度作为载荷加载到罐内通气道上的模拟方法，忽略了固化放热的尺寸效应，无法满足大尺寸零件生产的工程要求目前高校的研究中因为工艺方法和应用背景的限制，往往只能针对尺寸很小的简单结构实验件进行分析，影响因素较为单一，其验证结果虽然能够满足实验室级别研究要求。一旦扩展到大尺寸结构件的制造过程，由于零件结构、工艺过程和工装结构的复杂性大幅提升，其研究成果难以得到有效应用。而ESI 集团下的AUTOCLAVE 软件开放
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4期Get_Watch_TC_Pos(x,y,z);//监测偶位置Control_TC=Get_temperature(Control_TC_pos);//计算控温偶温度
世界第一美男
Watch_TC=Get_temperature(Watch_TC_pos);//计算监测偶温度
Get_Curent_Stage(Watch_TC); //通过监测偶判断当前固化阶段
SetTemperature=Get_temperature(CURRENT_TIME);//获取当前时刻理论温度
if (Control_TC>SetTemperature){
Rai_Heat_Power();//增加热源功率}
if (Control_TC<=SetTemperature){
Reduce_Heat_Power();//减小热源功率}
return heatSource;//返回更新后的热源功率 Recal_Autoclave_Tem();//重新计算热压罐内部温度场
}
4 模型验证
为了验证模型的可靠性，现对1米级热压罐进行空载实验。具体的实验流程如下：
（1）图4为在热压罐中布置热电偶的位置，共10支热电偶。其中8支位于罐头与罐尾，1支位于罐内中心，1支位于罐体前部斜上方。罐头与罐尾所布置的热电偶固定于三角铁架上。
图4 热电偶位置示意图
艺过程中内热源包含两部分，一部分为树脂发生交联反应的放热，另一部分为热压罐内部电热源。
3 闭环控制
当前关于复合材料构件热压罐成型过程温度场分布模拟的研究，大部分都是直接将固化温度以及气体流动速度作为载荷加载到罐内通气道上，计算复合材料构件在热压罐工艺过程中的温度变化情况（如
图2（a）所示）。热压罐罐内各点温度将会严格按照输入的温度曲线变化，且在同一时间时罐内各点温度一致，与实际情况存在较大差异。
图2 两种热压罐模拟思路(a)传统方法；(b)闭环模拟
实际的热压罐成型是通过监测控温热电偶的温度变化来动态调整热源加热功率的闭环控制过程。而且热压罐实际工作时，通常采用控温偶和监测偶来协同控温，根据不同的工艺控温偶可以是空气偶、领先偶和滞后偶中的任一个，控温偶来保证罐内温度能够以设定的升温速率升温，监测偶用来控制热压罐进入到固化工艺的下一阶段。控温偶和监测偶的协同工作保证零件固化过程满足工艺规范。本文采取闭环模拟的思路（图2（b）所示）对Fluent 软件进行二次开发，在程序中设定控温偶和监测偶，在每个计算步内计算当前热源功率控温偶的温度值，如果控温偶温度高于设定值动态减小输入的热源功率；如果控温偶的温度值小于设定值则在下一计算步内增大热源功率，同时在每一计算步内，获取监测偶的温度值来确定当前时刻处于固化工艺的哪一个阶段。整个闭环控温的伪代码如下：
DEFINE_SOURCE(HeatChangeWithTC){
Get_Control_TC_Pos(x,y,z);//控温偶位置
复合材料结构件热压罐成型温度场闭环模拟
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纤维复合材料
图7 平板工装热压罐固化过程模拟有限元网格模型
模拟得到不同时刻罐内温度分布云图，图8所
示，可知，底部通气道的气体被热源加热后沿着通
气道被吹到罐门处，然后在位于罐头处风扇的作用
下在罐内运动，并与工装发生热交换，工装温度缓
慢上升，在保温阶段罐内温度较为均匀。但是从模
拟结果来看，在不考虑罐内气体整流栅格的影响
下，靠近罐头处的工装相比罐门处的工装温度率先
升高，而这与实际情况不符，实际中罐门处工装的
温度要明显高于罐头处的工装。
图8 不同时刻热压罐内部截面温度
分析原因，查看了罐内流体运动情况（如图9（
a）
所示），可以看到，在风扇的作用下，从底部通气
道上来的气体将贴着罐壁率先运动到罐头，由于罐
内气体出口减小，内部气体会发生回旋往罐门处运
动，从气体的整个运动过程可以看到，携带热量的
气体率先运动到罐头而使工装加热，回旋到罐门处
的气体再加热靠近罐门处的工装。显然整流栅格使
得罐内气体的运动情况发生显著变化，要获取真实图5 空载热压罐加热曲线
（2）热压罐进行加热操作，图5为实验中所
用的空载热压罐加热曲线，实验过程共包含四个升
温阶段和保温平台，升温速率统一为6℃/min，保
温40分钟后进入下一个加热升温-保温循环。
（3）加热完成后，采集在固化过程中热压罐
内热电偶的温度数据并导出，完成热压罐空载实验。
基于上文建立的闭环模拟程序，采集空载过程
中空气偶的数据并与实验结果比对如图6所示，其
中红色虚线为数值模拟结果，实线为实验结果。可
以看到模拟曲线与实验结果较高，尤其是在升温阶新文化运动的意义
段，在保温平台的长短上存在差异。但是将第保温
平台部分放大以观察实际采集数据知，真实的保温
时间与模拟的保温时间是相等的，都为设定的保温
平台长度，之所以看起来实际的保温平台长度要长
于设定值是因为在接近保温温度时，罐内控温机制
使得升温速率变小从而让监测点温度缓慢升高到设
定的保温平台值。从对比结果对比来看，本文所建
立的闭环模拟程序可以较好的反应热压罐成型过程
中温度的动态调节过程，模拟结果与实际情况更加
接近且模拟精度较高。
图6 热压罐空载模拟与实验结果对比
图11不同时刻罐内温度及工装温度分布情况
罐内不同位置温度随时间变化曲线如图12示。
图中深绿色线代表设定的工艺曲线，靠近工艺曲线
的三条曲线为空气偶温度变化情况。其他的为复合
材料内部温度曲线。可以看到实际固化过程中罐内
空气的升温速率与设定的工艺曲线较为接近，但是
由于零件内部升温速率较低，尤其是滞后偶的升温
速率更低，导致实际的保温时长显著高于设定值。
同时由于固化放热的原因，将导致零件局部区域温
度过冲（温度超过设定的保温温度）。该模拟程序
能够反映实际热压罐工艺中的控温延时问题以及零
件固化放热现象，指导实际生产。
12 增加整流栅格后罐内不同位置温度随时间变化曲线
6 结语
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（1）基于Fluent软件初步建立了基于监测偶
温度变化动态反馈调整热源功率的热压罐温度场模
拟的闭环控制程序，试算标准固化程序，得到热压
罐内不同位置的温度场、并得到热压罐控制实验的
验证。
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（2）建立了多监测点耦合控温算法，实现了
实际热压罐工作过程中，空气偶、领先偶和滞后偶
协同控温过程，分析了热压罐固化过程中整流栅格
(a)无栅格 (b)
图9罐内气体运动矢量图
(a)罐尾栅格 (b)罐门栅格
发生改变，罐内流体并不呈现由罐门到罐尾的均匀
气旋风暴传动，在罐门附近出现了部分涡流，但是从整个流
场的运动情况来看，流体整体上将从罐门逐步运动
到罐尾处，通过气体携带的热量将率先传到罐门处
的工装及零件上。罐门处工装、零件温度将高于罐
尾处工装温度。在添加栅格后罐内温度及工装温度
分布情况如图11所示：
