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)都是采用試驗摸索，先是試樣的試驗，再做縮比件試驗，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。針對某一復(fù)合材料構(gòu)件從大量試驗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，耗資耗時。(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。對于工藝制度的優(yōu)化，大多數(shù)研究集中在以工藝時間最小化為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足與溫度相 關(guān)的約束條件下對溫度制度進行優(yōu)化，以控制殘余應(yīng)力。而關(guān)于壓力制度的設(shè)計以及壓力制度對層板密實程度和纖維分布的影響的研究很少見報道。

       對于壓力制度而言，加壓時機是一個很重要的參數(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，實現(xiàn)了加壓時機的設(shè)    外加壓力Pa設(shè)為常數(shù)，目標(biāo)纖維體積分數(shù)為62%，優(yōu)化變量為第一平臺恒溫時間th。圖3，4分別給出了種群的平均適應(yīng)度指數(shù)隨進化代數(shù)的變化和種計。以T700/ 5228和T700/ 5224層板為例，對加壓時機以及層板內(nèi)纖維分布進行了分析。具有重要的學(xué)術(shù)價值和工程應(yīng)用意義，有助于降低成本，縮短復(fù)合材料研制周期。

1  樹脂流動控制方程

        以squeeze sponge模型‘51為基礎(chǔ)，同時假設(shè)預(yù)浸料完全被樹脂飽和浸潤，不存在氣泡；對于復(fù)合材料等厚層板，只考慮樹脂沿層板厚度方向流動，且符合達西定律：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，通過自然選擇、遺傳、變異等作用機制，實現(xiàn)各個體適應(yīng)性的提高。它直接以目標(biāo)函數(shù)值作為搜索信息，具有很強的魯棒性，廣泛應(yīng)用于各個領(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的群體中每個個體的數(shù)值由遺傳算法程序提供給樹脂流動數(shù)值模擬程序，獲得每個個體所對應(yīng)的復(fù)合材料層板平均纖維體積分數(shù)：然后計算每個個體的適應(yīng)度值：遺傳算法程序根據(jù)適應(yīng)度值確定每個個體通過復(fù)制操作遺傳到下一代的概率，然后進行復(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)計算，直到獲得最優(yōu)解。
               
       以T700/ 5228單向?qū)影鍨槔M行加壓時機的優(yōu)化，初始纖維體積分數(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，在第一個溫度平臺恒溫th分鐘后施加外力。th為恒溫時間，計算中需要的參數(shù)見表1。
          
       外加壓力Pa設(shè)為常數(shù)，目標(biāo)纖維體積分數(shù)為62%，優(yōu)化變量為第一平臺恒溫時間th。圖3，4分別給出了種群的平均適應(yīng)度指數(shù)隨進化代數(shù)的變化和種群中最優(yōu)個體適應(yīng)度指數(shù)隨進化代數(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)個體。外加壓力分別為0. 4MPa和0.6MPa時，優(yōu)化得到加壓時機即恒溫平臺時間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、時間是三個基本工藝參量，加壓時機又稱加壓窗口是最重要的一個，通常由經(jīng)驗方法確定。眾所周知，纖維含量和孑L隙含量對復(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%。

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

       對于薄層板，實驗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)溫差對樹脂流動的影響。根據(jù)典型溫度制度，定義了兩種加壓時機設(shè)計方法，一種是在第一個溫度平臺的結(jié)束時刻施加壓力，對平臺時間進行優(yōu)化，此時溫度制度是變化的：另一種是溫度制度固定，可以在溫度制度的任意時刻施加壓力。

3.1T700/ 5228層板加壓時機分析

       初始層板厚度為3. 86mm，初始纖維體積分數(shù)為55%，雙面吸膠。首先，采用第一種定義方法對加壓時機進行設(shè)計。平臺時間th可調(diào)范圍為0到120min?；趦?yōu)化平臺，可以得到不同壓力條件下，層板平均纖維含量隨平臺時間的變化，如圖5所汞。隨著平臺時間的增加，平均纖維含量減小，這是由于隨著平臺時間的增加，樹脂粘度增加：鋪層方式不同，達到相同纖維含量，平臺時間差別很大，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，對于正交層板，可達到的最大纖維體積分數(shù)較低，層板內(nèi)纖維分布更均勻，對于單向?qū)影?，靠近吸膠層邊界維密實程度高，纖維體積分數(shù)大，滲透率低，樹脂流動阻力大，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?？梢钥闯?，纖維分布不均勻，最大差值可達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，對于正交鋪層，層板可達到的纖維體積分數(shù)比較低，采用第二種方法對加壓時機進行了設(shè)計。設(shè)平臺時間為30 min，加壓時機在0到80min之間變化。圖7給出了層板平均纖維體積分數(shù)隨加壓時機的變化。圖7中坐標(biāo)0點為工藝時間起點，50min為第一個溫度平臺開始時刻。

    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數(shù)，但是變化不大。主要是由于5228樹脂粘度較高，平臺區(qū)最低粘度在20Pa s以上，樹脂流動性差，很難達到更高的纖維含量。
                  
            

3.21700/ 5224層板加壓時機分析

      初始條件與T700/ 5228層板相同，其典型溫度制度如圖2所示，第一平臺溫度為130 0c，第二平臺溫度為180℃?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，壓力取值范圍0. 2～0. 6MPa。圖8為層板纖維含量為62%，外加壓力與平臺時間的關(guān)系，可以看出與T700/ 5228層板相同，鋪層方式對加壓時機影響非常大。
               
          
      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拐點為加壓時刻，可以看出雖然兩種樹脂體系平臺區(qū)粘度不同，得到相同纖維含量的層板，加壓時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，實現(xiàn)了加壓時機的優(yōu)化。
       (2) 5228樹脂體系，平臺區(qū)粘度較高，固化層板纖維體積分數(shù)低；5224樹脂體系，平臺區(qū)粘度較低，對于T700/ 5224單向?qū)影寮訅哼^早容易造成貧膠。其它條件相同，樹脂流動特性不同，加壓時機差別非常大。

       (3)纖維、樹脂種類相同，鋪層方式不同，加壓時機差別很大：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，對纖維分布均勻性影響不大