冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统及仿真方法技术方案

本发明专利技术涉及一种冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统及仿真方法，属于复合材料热压罐工艺技术领域。通过冻结部分流体所涉及的流动与温度的计算能够极大地减少热压罐工艺仿真中的冗余计算，高效率的得出复合材料在热压罐工艺中的温度场、压力场、固化度场。固化度场。固化度场。

【技术实现步骤摘要】
冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统及仿真方法


[0001]本专利技术涉及复合材料热压罐工艺
，特别是涉及一种冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统及仿真方法。

技术介绍

[0002]先进树脂基复合材料自上世纪60年代中期问世以来，以其独有的特性广泛应用于航空、航天、航海等高科技领域以及民用工业，已成为现代工业领域最重要的、不可或缺的材料之一。热压罐工艺是制备先进复合材料应用最广、最具代表性的工艺方法，具有罐内压力均匀性高、罐内温度均匀性高、成型工艺稳定可靠、适用范围较广的特点，80％以上的飞行器复合材料结构依赖热压罐工艺制造。
[0003]与此同时，热压罐硬件系统庞大、结构复杂，属于特种设备，投资费用高，且每次工艺过程均需消耗大量高价值的工艺辅助材料与大量能源，因此热压罐工艺成本高昂。在热压罐工艺中，热压罐内高温高压气体作用下复合材料和复合材料构件同时成型，工艺过程中复合材料涉及热和压力在多相材料体系(即工装、辅助材料、纤维与树脂复合体系等)中复杂的相互作用，当材料类型及复合材料构件形式等改变后，工装、工艺参数等往往需要重新设计优化。传统的“试错法”研发模式从试样到缩比件到试验件需要经过反复多次试验，研究费用高，复合材料制造质量的可控性差，制件合格率低，制约复合材料研制效率和应用。
[0004]21世纪以来，随着半导体集成电路技术的迅速发展，微型计算机的运算能力不断提高，通过计算机仿真方法进行热压罐工艺模拟与优化已成为先进复合材料制造过程中的重要组成部分。在热压罐工艺涉及的物理化学作用机理研究基础上，基于有限差分法或有限体积法或有限单元法建立的数值分析方法可有效指导工艺、工装的设计与优化，为先进复合材料研制模式从传统的积木式验证向数字化制造模式转变提供了有力的技术支撑。
[0005]但通过以有限单元法为代表的数值分析方法对复合材料热压罐工艺进行仿真时，由于热压罐的尺寸通常为100～101m数量级，而复合材料制件的厚度通常在10
‑4～10
‑3m数量级，热压罐流场所占据的网格数量巨大，一方面对网格划分提出了很高的要求，另一方面巨大的网格量也会严重降低仿真效率。而根据热压罐的工作特点，工艺过程中热压罐罐内高温高压气体(流场)所涉及的流体流动与流体温度的计算中有很大部分是冗余的，因而出于科研与工程的实际，部分仿真工作不得不对整个物理过程进行简化，忽视影响巨大的热压罐工作气体的流动对制件温度/压力边界的影响，从而在有限的时间内完成仿真，但即使时间允许，气体流动的计算也会产生大量的低价值数据，不仅浪费存储空间，也会降低从计算结果中提取有效数据的效率。
[0006]因此，亟需一种可以在不简化物理过程的前提下，减少冗余计算的高效率热压罐工艺仿真系统及仿真方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统及仿真方法，能够在不简化物理过程的前提下减少冗余计算，以提高仿真效率。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0009]一种冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真方法，所述仿真方法包括：
[0010]根据热压罐构建参数、制件构建参数和模具构建参数进行三维建模，并对获得的三维模型进行网格剖分处理，得到热压罐工艺模型；
[0011]以热压罐工艺参数作为所述热压罐工艺模型的输入，得到初始的流体过程参数；所述流体过程参数包括速度在时间和空间上的分布、压力在时间和空间上的分布、密度在时间和空间上的分布、粘度在时间和空间上的分布及温度在时间和空间上的分布；
[0012]根据流体状态冻结判定参数和流体状态更新判定参数，判断所述流体过程参数是否处于冻结状态以及是否需要更新；
[0013]若所述流体过程参数处于冻结状态且不需要更新，则以所述流体过程参数作为待输出流体过程参数；
[0014]若所述流体过程参数需要更新且不处于冻结状态，则对所述流体过程参数进行更新，得到待输出流体过程参数；
[0015]若所述流体过程参数不处于冻结状态且不需要更新，则在处于所述流体过程参数之前的且处于冻结状态的流体过程参数和处于所述流体过程参数之后的且处于冻结状态的流体过程参数之间进行插值，得到待输出流体过程参数；
[0016]根据所述待输出流体过程参数计算固体过程参数；所述固体过程参数包括温度在时间和空间上的分布、压力在时间和空间上的分布及制件固化度在时间和空间上的分布；
[0017]判断是否达到仿真停止时间；
[0018]若否，则以所述待输出流体过程参数作为下一迭代的流体过程参数，返回“根据流体状态冻结判定参数和流体状态更新判定参数，判断所述流体过程参数是否处于冻结状态以及是否需要更新”的步骤。
[0019]一种冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统，所述仿真系统包括交互与控制模块、流体计算模块以及固体计算模块；
[0020]所述交互与控制模块包括：
[0021]空间构型与网格剖分单元，用于接收并存储输入的热压罐构建参数、制件构建参数和模具构建参数，并根据所述热压罐构建参数、所述制件构建参数和所述模具构建参数进行三维建模，对获得的三维模型进行网格剖分处理，得到热压罐工艺模型；
[0022]工艺参数设置单元，用于接收并存储输入的热压罐工艺参数；
[0023]计算控制核心单元，用于以所述热压罐工艺参数作为所述热压罐工艺模型的输入，得到初始的流体过程参数；并判断是否达到仿真停止时间，在未达到所述仿真停止时间时，则以待输出流体过程参数作为下一迭代的流体过程参数，控制所述流体计算模块和所述固体计算模块工作；所述流体过程参数包括速度在时间和空间上的分布、压力在时间和空间上的分布、密度在时间和空间上的分布、粘度在时间和空间上的分布及温度在时间和空间上的分布；
[0024]所述流体计算模块用于根据流体状态冻结判定参数和流体状态更新判定参数，判
断所述流体过程参数是否处于冻结状态以及是否需要更新；若所述流体过程参数处于冻结状态且不需要更新，则以所述流体过程参数作为待输出流体过程参数；若所述流体过程参数需要更新且不处于冻结状态，则对所述流体过程参数进行更新，得到待输出流体过程参数；若所述流体过程参数不处于冻结状态且不需要更新，则在处于所述流体过程参数之前的且处于冻结状态的流体过程参数和处于所述流体过程参数之后的且处于冻结状态的流体过程参数之间进行插值，得到待输出流体过程参数；
[0025]所述固体计算模块用于根据所述待输出流体过程参数计算固体过程参数；所述固体过程参数包括温度在时间和空间上的分布、压力在时间和空间上的分布及制件固化度在时间和空间上的分布。
[0026]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0027]本专利技术用于提供一种冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真系统及仿真方法，通过冻结部分流体所涉及的流动与温度的计算能够极大地减少热压罐工艺仿真中的冗余计算，高效率地得出复合材料在热压罐工艺中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冻结部分计算的复合材料热压罐工艺仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括：根据热压罐构建参数、制件构建参数和模具构建参数进行三维建模，并对获得的三维模型进行网格剖分处理，得到热压罐工艺模型；以热压罐工艺参数作为所述热压罐工艺模型的输入，得到初始的流体过程参数；所述流体过程参数包括速度在时间和空间上的分布、压力在时间和空间上的分布、密度在时间和空间上的分布、粘度在时间和空间上的分布及温度在时间和空间上的分布；根据流体状态冻结判定参数和流体状态更新判定参数，判断所述流体过程参数是否处于冻结状态以及是否需要更新；若所述流体过程参数处于冻结状态且不需要更新，则以所述流体过程参数作为待输出流体过程参数；若所述流体过程参数需要更新且不处于冻结状态，则对所述流体过程参数进行更新，得到待输出流体过程参数；若所述流体过程参数不处于冻结状态且不需要更新，则在处于所述流体过程参数之前的且处于冻结状态的流体过程参数和处于所述流体过程参数之后的且处于冻结状态的流体过程参数之间进行插值，得到待输出流体过程参数；根据所述待输出流体过程参数计算固体过程参数；所述固体过程参数包括温度在时间和空间上的分布、压力在时间和空间上的分布及制件固化度在时间和空间上的分布；判断是否达到仿真停止时间；若否，则以所述待输出流体过程参数作为下一迭代的流体过程参数，返回“根据流体状态冻结判定参数和流体状态更新判定参数，判断所述流体过程参数是否处于冻结状态以及是否需要更新”的步骤。2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述热压罐构建参数包括热压罐的罐体形状、罐体大小、工作气体的类型及材料参数、工作气体流速、加热方式和降温方式；所述制件构建参数包括制件的形状、制件大小、制件厚度、预成型体铺层结构和制件所用材料的种类及材料参数；所述模具构建参数包括模具的形状、模具大小、模具厚度和模具所用材料的种类及材料参数。3.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述热压罐工艺参数包括固化温度随时间的变化关系、固化压力随时间的变化关系、真空压力随时间的变化关系、脱模时间、脱模温度和工艺所用辅助材料及其材料参数。4.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述流体状态冻结判定参数包括允许流体计算冻结的最长时间、冻结时刻到当前时刻的最大温度变化值、冻结时刻到当前时刻的最大速度变化值和冻结时刻到当前时刻的最大压力变化值；所述流体状态更新判定参数包括允许两次流体计算更新之间的最长时间、上一次流体更新时刻到当前时刻的最大温度变化值、上一次流体更新时刻到当前时刻的最大速度变化值和上一次流体更新时刻到当前时刻的最大压力变化值。5.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述根据流体状态冻结判定参数和流体状态更新判定参数，判断所述流体过程参数是否处于冻结状态以及是否需要更新具体包括：
当冻结时刻到当前时刻的时间超过允许流体计算冻结的最长时间、冻结时刻到当前时刻的温度变化值超过冻结时刻到当前时刻的最大温度变化值、冻结时刻到当前时刻的速度变化值超过冻结时刻到当前时刻的最大速度变化值或冻结时刻到当前时刻的压力变化值超过冻结时刻到当前时刻的最大压力变化值时，则所述流体过程参数不处于冻结状态；否则，则所述流体过程参数处于冻结状态；当上一次流体更新时刻到当前时刻的时间超过允许两次流体计算更新之间的最长时间、上一次流体更新时刻到当前时刻的温度变化值超过上一次流体更新时刻到当前时刻的最大温度变化值、上一次流体更新时刻到当前时刻的速度变化值超过上一次流体更新时刻到当前时刻的最大速度变化值或上一次流体更新时刻到当前时刻的压力变化值超过上一次流体更新时刻到当前时刻的最大压力变化值时，则所述流体过程参数需要更新；否则，则所述流体过程参数不需要更新。6.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述对所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周钰博，李敏，王绍凯，顾轶卓，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：