熱壓成型一直是航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)主承力結(jié)構(gòu)先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料制件最重要的工藝方法，然而高昂的制造成本嚴(yán)重制約了它的發(fā)展和應(yīng)用。目前造成先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件制造成本過高的主要原因如下：(1)研制周期長、效率低。當(dāng)前研制復(fù)合材料結(jié)構(gòu)都是采用試驗(yàn)摸索，先是試樣的試驗(yàn)，再做縮比件試驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)數(shù)次確定制造工藝，研制周期長；(2)制造規(guī)范不通用。針對(duì)某一復(fù)合材料構(gòu)件從大量試驗(yàn)摸索形成的一種較合理的制造工藝規(guī)范，只適用這一特定情況，復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式一旦改變，又需要新做大量試驗(yàn)，耗資耗時(shí)。(3)制件質(zhì)量可控性差，造成復(fù)合材料性能分散，材料許用值低，構(gòu)件合格率低。

       在熱壓成型過程數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，在脫離生產(chǎn)線的條件下，優(yōu)化工藝制度是非常必要的。對(duì)于工藝制度的優(yōu)化，大多數(shù)研究集中在以工藝時(shí)間最小化為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足與溫度相 關(guān)的約束條件下對(duì)溫度制度進(jìn)行優(yōu)化，以控制殘余應(yīng)力。而關(guān)于壓力制度的設(shè)計(jì)以及壓力制度對(duì)層板密實(shí)程度和纖維分布的影響的研究很少見報(bào)道。

       對(duì)于壓力制度而言，加壓時(shí)機(jī)是一個(gè)很重要的參數(shù)，加壓過早可能造成貧膠，加壓太晚由于樹脂流動(dòng)性變差，引起富樹脂現(xiàn)象，不利于氣泡的排除。本文以熱壓成型過程樹脂流動(dòng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以固化層板纖維含量為目標(biāo)，采用遺傳算法，實(shí)現(xiàn)了加壓時(shí)機(jī)的設(shè)    外加壓力Pa設(shè)為常數(shù)，目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)為62%，優(yōu)化變量為第一平臺(tái)恒溫時(shí)間th。圖3，4分別給出了種群的平均適應(yīng)度指數(shù)隨進(jìn)化代數(shù)的變化和種計(jì)。以T700/ 5228和T700/ 5224層板為例，對(duì)加壓時(shí)機(jī)以及層板內(nèi)纖維分布進(jìn)行了分析。具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程應(yīng)用意義，有助于降低成本，縮短復(fù)合材料研制周期。

1  樹脂流動(dòng)控制方程

        以squeeze sponge模型‘51為基礎(chǔ)，同時(shí)假設(shè)預(yù)浸料完全被樹脂飽和浸潤，不存在氣泡；對(duì)于復(fù)合材料等厚層板，只考慮樹脂沿層板厚度方向流動(dòng)，且符合達(dá)西定律：纖維為剛性體，且不可壓縮。根據(jù)有效應(yīng)力原理，纖維和樹脂共同承擔(dān)外加壓力，有關(guān)系式：
     
  

2  優(yōu)化方法及測(cè)試

       遺傳算法( Genetic Algorithm)是一種全局優(yōu)化算法，它借用了生物遺傳學(xué)的觀點(diǎn)，通過自然選擇、遺傳、變異等作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)體適應(yīng)性的提高。它直接以目標(biāo)函數(shù)值作為搜索信息，具有很強(qiáng)的魯棒性，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文以遺傳算法作為熱壓成型工藝參數(shù)優(yōu)化的方法，以樹脂流動(dòng)過程數(shù)值模擬系統(tǒng)作為目標(biāo)函數(shù)的求解方法。遺傳算法與數(shù)值模擬方法的有機(jī)結(jié)合，可得如圖1所示的優(yōu)化系統(tǒng)。

       決策變量Tf的群體中每個(gè)個(gè)體的數(shù)值由遺傳算法程序提供給樹脂流動(dòng)數(shù)值模擬程序，獲得每個(gè)個(gè)體所對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)：然后計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值：遺傳算法程序根據(jù)適應(yīng)度值確定每個(gè)個(gè)體通過復(fù)制操作遺傳到下一代的概率，然后進(jìn)行復(fù)制、交叉和變異操作，從而獲得決策變量的下一代群體。如此反復(fù)計(jì)算，直到獲得最優(yōu)解。
               
       以T700/ 5228單向?qū)影鍨槔M(jìn)行加壓時(shí)機(jī)的優(yōu)化，初始纖維體積分?jǐn)?shù)為55%，初始層板厚度為3. 86mm，雙面吸膠，典型溫度制度如圖2所示，在第一個(gè)溫度平臺(tái)恒溫th分鐘后施加外力。th為恒溫時(shí)間，計(jì)算中需要的參數(shù)見表1。
          
       外加壓力Pa設(shè)為常數(shù)，目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)為62%，優(yōu)化變量為第一平臺(tái)恒溫時(shí)間th。圖3，4分別給出了種群的平均適應(yīng)度指數(shù)隨進(jìn)化代數(shù)的變化和種群中最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度指數(shù)隨進(jìn)化代數(shù)的變化。可以看出優(yōu)化系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地找到最優(yōu)個(gè)體。外加壓力分別為0. 4MPa和0.6MPa時(shí)，優(yōu)化得到加壓時(shí)機(jī)即恒溫平臺(tái)時(shí)間th分別為38min和3lmin。
          
            
3結(jié)果分析

       在熱固性樹脂基復(fù)合材料成型過程中，溫度、壓力、時(shí)間是三個(gè)基本工藝參量，加壓時(shí)機(jī)又稱加壓窗口是最重要的一個(gè)，通常由經(jīng)驗(yàn)方法確定。眾所周知，纖維含量和孑L隙含量對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有非常重要的影響。通常平均纖維體積含量在50%至70%之間，航空航天應(yīng)用的典型目標(biāo)是62%，可以接受的孔隙率低于2%。

       基于樹脂流動(dòng)模型和遺傳算法，采用數(shù)值方法對(duì)單向和正交兩種鋪層形式的T700/ 5228和T700/5224層板加壓窗口進(jìn)行了分析。

       對(duì)于薄層板，實(shí)驗(yàn)采集層板表面和中心位置溫度的結(jié)果表明層板內(nèi)溫差可以忽略，因此，不考慮層板內(nèi)溫差對(duì)樹脂流動(dòng)的影響。根據(jù)典型溫度制度，定義了兩種加壓時(shí)機(jī)設(shè)計(jì)方法，一種是在第一個(gè)溫度平臺(tái)的結(jié)束時(shí)刻施加壓力，對(duì)平臺(tái)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，此時(shí)溫度制度是變化的：另一種是溫度制度固定，可以在溫度制度的任意時(shí)刻施加壓力。

3.1T700/ 5228層板加壓時(shí)機(jī)分析

       初始層板厚度為3. 86mm，初始纖維體積分?jǐn)?shù)為55%，雙面吸膠。首先，采用第一種定義方法對(duì)加壓時(shí)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。平臺(tái)時(shí)間th可調(diào)范圍為0到120min。基于優(yōu)化平臺(tái)，可以得到不同壓力條件下，層板平均纖維含量隨平臺(tái)時(shí)間的變化，如圖5所汞。隨著平臺(tái)時(shí)間的增加，平均纖維含量減小，這是由于隨著平臺(tái)時(shí)間的增加，樹脂粘度增加：鋪層方式不同，達(dá)到相同纖維含量，平臺(tái)時(shí)間差別很大，這主要是由于鋪層方式不同，纖維層壓縮和滲透特性的不同：在相同壓力條件下，對(duì)于正交層板，可達(dá)到的最大纖維體積分?jǐn)?shù)較低，層板內(nèi)纖維分布更均勻，對(duì)于單向?qū)影?，靠近吸膠層邊界維密實(shí)程度高，纖維體積分?jǐn)?shù)大，滲透率低，樹脂流動(dòng)阻力大，層板內(nèi)纖維分布不均勻程度高。圖6為單向?qū)影澹w維含量62%，在不同工藝制度條件下層板厚度方向纖維分布。可以看出，纖維分布不均勻，最大差值可達(dá)20%。然而，不同壓力制度下，纖維分布不均勻性差別不大。

      從圖5結(jié)果可以看出，對(duì)于正交鋪層，層板可達(dá)到的纖維體積分?jǐn)?shù)比較低，采用第二種方法對(duì)加壓時(shí)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)平臺(tái)時(shí)間為30 min，加壓時(shí)機(jī)在0到80min之間變化。圖7給出了層板平均纖維體積分?jǐn)?shù)隨加壓時(shí)機(jī)的變化。圖7中坐標(biāo)0點(diǎn)為工藝時(shí)間起點(diǎn)，50min為第一個(gè)溫度平臺(tái)開始時(shí)刻。

    從圖中結(jié)果可以看出，在工藝開始就施加壓力可以適當(dāng)提高層板纖維體積分?jǐn)?shù)，但是變化不大。主要是由于5228樹脂粘度較高，平臺(tái)區(qū)最低粘度在20Pa s以上，樹脂流動(dòng)性差，很難達(dá)到更高的纖維含量。
                  
            

3.21700/ 5224層板加壓時(shí)機(jī)分析

      初始條件與T700/ 5228層板相同，其典型溫度制度如圖2所示，第一平臺(tái)溫度為130 0c，第二平臺(tái)溫度為180℃?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，壓力取值范圍0. 2～0. 6MPa。圖8為層板纖維含量為62%，外加壓力與平臺(tái)時(shí)間的關(guān)系，可以看出與T700/ 5228層板相同，鋪層方式對(duì)加壓時(shí)機(jī)影響非常大。
               
          
      從圖中可以看出兩種樹脂體系的最低粘度差異較大，5228樹脂最低粘度在20Pa  s以上，而5224樹脂最低粘度只有0. 5Pa  s。圖中粘度曲線的第二個(gè)拐點(diǎn)為加壓時(shí)刻，可以看出雖然兩種樹脂體系平臺(tái)區(qū)粘度不同，得到相同纖維含量的層板，加壓時(shí)刻樹脂粘度基本相同。

4結(jié)論

       (1)以熱壓成型過程樹脂流動(dòng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以固化層板纖維含量為目標(biāo)，采用遺傳算法，實(shí)現(xiàn)了加壓時(shí)機(jī)的優(yōu)化。
       (2) 5228樹脂體系，平臺(tái)區(qū)粘度較高，固化層板纖維體積分?jǐn)?shù)低；5224樹脂體系，平臺(tái)區(qū)粘度較低，對(duì)于T700/ 5224單向?qū)影寮訅哼^早容易造成貧膠。其它條件相同，樹脂流動(dòng)特性不同，加壓時(shí)機(jī)差別非常大。

       (3)纖維、樹脂種類相同，鋪層方式不同，加壓時(shí)機(jī)差別很大：纖維種類、鋪層方式以及初始和優(yōu)化目標(biāo)相同的條件下，不同樹脂體系，加壓時(shí)刻樹脂粘度基本相同。

      (4)纖維分布均勻性主要由纖維層壓縮特性決定期：維層壓縮特性與目標(biāo)纖維含量一定的情況下，調(diào)節(jié)工藝制度，對(duì)纖維分布均勻性影響不大