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发表于 2020-4-8 13:49:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车复合材料板弹簧模压工艺热学分析

丁行武 卜继玲 周滨 刘广华 周洲
(株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲 412000)
摘要:基于商用软件平台,利用共轭传热分析方法,针对汽车用复合材料板弹簧的模压热成型工艺进行了研究。建立了复合材料板弹簧模压热成型共轭传热分析模型,利用该模型以整体加热效率和受热均匀性为评价指标比较分析了加热系统不同进出油口组合方案的优劣,并就串联和并联两种导热油路设计的差异进行了对比。最后,通过在模具内部布置热电偶和在分析模型中设置温度监测点,对采用该分析方法模拟复合材料板弹簧模压热成型工艺的可行性进行了验证。所述计算模型和结果为复合材料板弹簧模压热成型工艺设计提供了数据参考。
关键词:复合材料 板弹簧 共轭传热 模压工艺

[size=1em]相关研究表明,汽车减重10%,油耗可减少6%~8%。板弹簧是车辆悬架系统的重要组成部分,在车体自重中所占比例约为5%~7%[1],起着传递车架与车轮之间力和力矩的作用。相比传统金属板弹簧质量重、寿命周期短等缺点,使用复合材料制备板弹簧的质量可减轻60%~70%[2]。目前,减轻汽车质量,降低燃油消耗及改善行驶舒适性是汽车行业追求的目标[3-4]。通过采用复合材料取代传统钢板弹簧可以有效实现汽车轻量化需求[5-6]。

[size=1em]考虑到汽车用弹簧承载高、冲击大、疲劳循环次数高的工作特点,目前强度高、耐冲击、耐腐蚀的热固性树脂基纤维增强材料成为行业应用的首选。树脂的交联程度和固化效果对复合材料的性能起决定性作用,从而,在树脂基体和纤维增强体系都确定的前提下,进行最佳固化工艺条件的研究对获得具有高性能的复合材料及其制品显得尤为重要[7]。常用的复合材料板弹簧的成型工艺有缠绕、拉挤、模压和RTM等工艺或其中的组合工艺[8]。复合材料板弹簧采用模压工艺较为广泛,但随着复合材料板弹簧厚度的增加,预浸料固化过程中将会出现温度分布不均匀、内部固化不完全等问题,给成型工艺带来了很大的困难[9]。目前,国内部分学者研究了复合材料板弹簧的模压热成型工艺,但主要局限于使用测试和试验的方法进行[7-9]。

[size=1em]本文提出了基于商用软件平台Star-CCM+采用共轭传热数值方法对复合材料板弹簧的模压热成型工艺过程进行研究,从而为复合材料板弹簧在模压成型工艺过程中合理选择成型工艺条件和优化模压料的流动性能提供数据支持,并最终为制备合格的模压制品创造条件,并减少开发成本。

2 传热原理

[size=1em]物体的传热过程有3种基本模式,即热传导、热对流和热辐射。热传导的计算方程如下。

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[size=1em]式中,qx(W/m2)为与热量传输方向相垂直的单位面积上的热流速率。它与该方向上的温度梯度成正比,k为介质的热导率。

[size=1em]对流热流密度计算方程如下。

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[size=1em]式中,Ts为固体壁面温度;T∞为壁面接触流体的温度;h为对流换热系数(W/m2·K)。

[size=1em]复合材料板弹簧热压成型方式存在较强的热对流,但热传导和热辐射同时存在。由于在强迫对流传热过程中,热辐射的影响很小,所以经常将其忽略。具体热压成型过程中,热量在导热油、金属模具和复合材料三个不同热学材料间互相传递,存在两个热量交界面,即导热油与模具交界面和模具与复合材料交界面,如图1所示。

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图1 热量传递路径

[size=1em]共轭传热现象主要发生在导热油与模具的流固耦合交界面上,此时流体和固体温度参数在迭代方程中作隐式处理,在能量方程中联立求解,具体如下[10]。

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[size=1em]式中,n代表热流方向;Tref为特征流体温度;qc为由于相变引起的附加热通量。

3 参数与工艺3.1 材料参数

[size=1em]整个成型工艺过程涉及3种材料,根据计算经验选取具体材料热学参数信息如表1。

表1 材料热学参数
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[size=1em]导热油为合成导热油,具有良好的热稳定性,其热学参数信息如表2所示。由表2可知,导热油的动力粘度、密度、比热容和热传导系数均随温度的变化而发生变化,因此在热学计算时需要考虑导热油本身的温变特性。

表2 导热油热学参数
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3.2 模具结构

[size=1em]这里选取某型号复合材料板弹簧为研究对象,其一模两腔模压模具的几何结构如图2所示。

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图2 复合材料板弹簧成型模具结构

[size=1em]加热系统是整个工艺过程的核心部分。这里采用导热油加热,阳模、阴模分别形成2个回路。如图3所示为导热油管路系统的具体结构示意图,总共有8个流量相同的进/出油口,分别对应图中①~⑧。

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图3 模具加热管路系统

4 加热系统优化设计

[size=1em]加热管路系统可以根据需要设计成串联式或并联式。同时,如图3所示加热管路系统的8个进出油口也存在优化分配问题。为此,以复合材料板弹簧加热时间(板弹簧体积平均温度到达稳态所需要的加热时间)、平均温度(特定加热时间下的板弹簧体积平均温度)、最高温度(板弹簧网格节点的最高温度)、温度差(板弹簧网格节点的最高温度与最低温度的差值)作为评价指标,制定如下两项优化分析任务。

[size=1em]a.基于相同工况(导热油温度453.15 K,总流量2.78 kg/m3),对八个进出油口的不同设置方案的加热效果进行优化对比;

[size=1em]b.基于相同工况(导热油温度453.15 K,流量2.78 kg/m3),研究导热管路串联和并联下的加热效果。环境温度均设定为293.15 K。加热时间和平均温度可以反应加热系统的加热效率,最高温度和温度差可以反应板簧的受热均匀性。

[size=1em]实际分析过程中,选择K-Epsilon湍流模型进行计算。同时,考虑到热量在交界面上频繁发生转移,为了有利于动态监测具体结构的温度变化情况,采用瞬态计算方法。

4.1 进出口组合方式优化

[size=1em]在考虑到对称性的基础上,表3为图3所示8个进出口6种典型组合方案。其中,IN代表进油口,OUT代表出油口。

表3 进出油口设置方案
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[size=1em]显然,不同加热方案的温度分布特点会有较大不同,其对应的不同温度段分布范围也存在较大差别。图4和图5为加热方案A执行稳态计算后模具和板弹簧的温度分布情况。由图可知,高温区域相对集中在模具中间部位。由于板弹簧位置相对更贴近下模,使得靠近下模一侧的温度明显高于靠近上模一侧。

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图4 加热方案A下模具温度分布

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图5 加热方案A下板弹簧温度分布

[size=1em]图6给出了表3所述6种加热方案下板弹簧体积平均温度达到一定参考值(451.5 K)所用的加热时间。以共轭传热瞬态计算板弹簧体积平均温度与理论值的偏差小于参考值为标准来统计加热时间。误差参考值的不同会造成Tref具体数值上的差异,这里选取误差参考值为0.001。可以看出,方案A的加热时间最短,小于49 min,其次为方式D。其中,方案B的加热时间最长,超过52 min。

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图6 不同加热方案加热时间对比

[size=1em]为了更为充分的了解各种加热方案的加热效率,需要清楚在相同加热时间下板弹簧体积平均温度与理想温度的误差水平并对比差异。加热时间选用方案A加热达到稳态所用的时间。具体信息如图7所示。

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图7 不同加热方案板弹簧体积平均温度对比

[size=1em]可以看出,在相同加热时间下,方案A的板弹簧体积平均温度最高,最靠近理论工艺温度(即453.15 K),误差仅为3.3‰;其次为方案D,误差为3.4‰;方式B计算所得板簧体积平均温度偏离理论值最多,其误差为3.8‰。进一步计算结果表明方案A的板簧最高节点温度最为靠近理论工艺温度。

[size=1em]板弹簧节点温度差是体现板簧受热均匀性的直接参考指标,其值越小反映出加热效果越好,对应的加热方案更为优越。分析图8中数据得出,方案A、方案D两种方式相对较好,板弹簧所有节点的温度差控制在了3 K以内。

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图8 不同加热方案板弹簧温度差对比

[size=1em]综合分析可以看出,加热方案A使得板弹簧体积平均温度达到设定值所用时间最短,对应的板弹簧节点温度差异也最小。加热方案D次之。所以,进出油口采用A或D方案进行设置可以使得模具加热效率和板簧受热均匀性最优。

4.2 油路串并联方式优化

[size=1em]基于模具油路系统(图9所示)的对称性考虑,这里仅选取整体油道的1/4模型进行分析,同时进出油口设置参考上述方案A执行,具体细节如图9所示。

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图9 模具加热油路系统示意

[size=1em]选取出油管路长度方向中间位置点(如图9中标识)来监测油路的温度变化过程,同时考察油路体积平均温度到达稳定状态的时间。

[size=1em]图10和图11给出了具体数据信息。图中数据表明并联结构可以在相对较短时间内使得管路内的体积平均温度和监测点A位置温度达到一个稳定值,所用时间小于10 min,较串联管路结构所需时间缩短一倍左右。这主要是因为并联结构存在频繁的分流和汇合现象,允许导热油快速流通整个管路,所以相对来说管路内的导热油流动更为快捷。但数据显示串联结构在加热达到稳定阶段时其体积平均温度比并联结构更为接近输入温度,两者差值大概为0.34 K(输入温度为453.15 K)。图12、图13和图14给出了某一时间节点下管路温度分布和稳态状态下两种管路的导热油速度分布和温度分布。可以看出,并联结构使得导热油能够快速流过整个管路,从而使得管路整体温度快速上升,但由于并联结构的存在,导热油主要沿着两条并行主干道流动,部分管路尾端由于供油不足而存在受热不均现象。而串联结构虽然在加热时间是上会有所延长,但导热油可以充分的填满整个管路,达到稳态后温度分布更为均匀,且稳态后油路温度分布更加接近理论输入温度。

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图10 监测点温度变化规律

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图11 体积平均温度变化规律

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图12 加热时间10 min管路温度分布

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图13 两种油路结构稳态下速度分布

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图14 两种油路结构稳态下温度分布

[size=1em]因此,为了保证复合材料板弹簧成型的受热均匀性,在现有模具整体结构和油路系统下推荐使用串联管路结构。

5 计算实例与试验

[size=1em]选取某型复合材料板弹簧成型工艺为研究对象,具体模具和加热油路结构同图2和图3。油路为串联结构,并参考表3中的方案A进行具体进出口设置。

5.1 成型温度制度

[size=1em]温度制度是控制制品成型好坏的关键。典型的模压工艺一般分为快速成型和慢速成型2种[11]。

[size=1em]这里根据模压料的类型采用慢速模压成型工艺,包括3个加热阶段,具体工艺路线如图15所示。

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图15 工艺路线

5.2 温度场分析

[size=1em]图16中给出了3个温度阶段末模具内部温度分布情况。分析图16中数据可知,虽然不同温度阶段的模具内部温度分布范围存在较大差别,但分布特点相似。高温区域主要集中在沿加热管路分布的圆周,且阴模高温区域分布范围更大,这主要是因为阴模的加热管路更靠近模具中央,热量通过隔热板耗散到外部环境较慢。隔热板两边的温差达到了70℃甚至更高,说明隔热板起到了良好的隔热效果。模具两侧内部与空气接触的地方温度梯度明显增大,说明这些位置由于空气对流换热加剧了热量的耗散。由于板弹簧中间厚两边薄,所以板弹簧中间位置的温度差都要大于板弹簧两侧。通过监测板弹簧内部节点温度差发现在任何一个升温阶段温度差会随着时间的推移先变大而后不断下降最后趋于平稳。而到达平稳的时间正是复合材料板弹簧模压热成型工艺质量控制的核心指标之一。

5.3 试验分析

[size=1em]为了监测成型过程中板弹簧内部实际温度的变化情况,在板弹簧长度方向上的中间、1/4处以及端部分别布置热电偶,分别对应图17中两根板弹簧的A、B、C、D和E点,各点均处在板弹簧厚度方向的中间位置。同时,在仿真计算模型中相同位置处设置对应温度监测点。

[size=1em]图18为板弹簧五个温度监测点在整个热压成型过程中试验和仿真计算数据对比情况。首先,板弹簧内部的五个监测点的温度变化过程趋势一致,计算温度曲线能够合理反映出板弹簧内部监测点的温度变化趋势,与试验测试误差在可控范围之内。不同升温阶段对应的时间跨度接近。其中,C点与E点、A点与D点两组监测点在整个成型工艺过程中的不同时刻温度值均非常接近,这符合这两组监测点的位置一致关系。在第一温升阶段,C点温度上升最快,而后上升速率减缓并在第一温升阶段末逐渐与B点和E点一致。这主要因为整个加热管路比较长,导热油从进油口流动到出油口本身需要花费一定的时间,而C点离进油口比较近自然在开始阶段的温度上升速率会更快。由于A点和D点相较于B点和E点在模具内距离加热管路较远,以及加热系统与外界热交换的存在,在整个温度上升阶段A点和D点的温度值均会稍低于B点和E点的温度值。在第三温度阶段末整个模型达到热平衡后,两组监测点的温度趋于平稳,其温度差也达到最小。

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图16 模具及板弹簧内部温度分布

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图17 热电偶在板弹簧预浸料中的布置[9]

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图18 板簧温度监测点数据比对

[size=1em]分析图中实测数据可以发现在第3个升温阶段,A、B、C点的温度先迅速增加而后逐渐回落并趋于稳定。其中,A点温度上升速度最快,最高温度接近150℃。这是由于复合材料板弹簧预浸料自身固化反应放热造成。A点处于板弹簧中间位置,预浸料存在的厚度大于B、C两点,固化反应放出的热量更多而耗散却相对较慢。当温度回落到135℃附件时,预浸料的固化反应已基本结束。由于流体软件目前无法模拟板弹簧预浸料由于自身温度升高而发生的固化放热反应,其在板弹簧的热传递过程中所发生的放热效果还无法准确评估,所以造成该阶段实验和计算曲线存在较大误差。

[size=1em]板弹簧的温度分布均匀性和与理论工艺温度的误差是板簧成型质量的重要参考指标,加热时间是成型效率的重要保障。图18所示结果表明仿真计算与实测数据比较贴近,能够正确的反映复合材料在热压成型工艺中的温度变化过程,并能够计算出每个温升阶段所需要的时间和不同位置点的工艺温度范围,对准确获取成型温度制度中的各个温度指标进而指导样品试制具有实际意义。

6 结束语

[size=1em]利用共轭传热分析方法,对比分析了不同进出油口设置方案和串并联油路设计下复合材料板弹簧模压工艺加热效果差异。结果表明,进出油口采用方案A或D模具油路系统加热效率和板弹簧受热均匀性最优;串联油路结构相较并联油路结构加热效果更好;实际工艺过程温度监测结果显示仿真计算与实测数据比较贴近,说明该分析方法能够较正确的反映复合材料在模压热成型工艺中的温度变化过程,并计算出每个温升阶段所需要的时间和不同位置点的工艺温度范围,对准确获取成型温度制度中的各个温度指标进而指导样品试制具有实际意义。但该方法目前无法考虑板弹簧预浸料由于自身温度升高而发生的固化放热效应。



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