座椅作为飞机、汽车、高铁等交通工具的重要组件，其设计的合理性直接影响乘坐体验[1]。目前座椅逐渐实现轻量化设计，其中塑料是主要的原料[2]。目前，飞机座椅中越来越多的部件采用复合材料，以连续碳纤增强材料和连续玻纤增强材料为主[3]。由于连续碳纤增强材料制造工艺复杂、成本较高，目前较多学者尝试采用连续玻纤增强材料进行研发[4]。为了适应不同场合对材料力学性能的要求，连续玻纤增强材料通常被制成各向异性的单向带[5]。实际应用中，通过不同角度的铺覆所制备的复合材料层合板，满足力学性能要求[6]。采用连续玻纤增强复合材料的座椅支撑板的制造工艺主要包括：主体结构的模压成型、加强筋的注塑成型[7]。通过模压成型获得一定形状的层合板作为嵌件，放入注射机模具型腔中进行固定，再将玻纤增强热塑性材料熔体，注射至层合板进行固化连接[8]。热塑性材料注塑成型过程中，由于结晶收缩行为容易产生较大的翘曲变形量和内应力，导致产品安装困难、抗疲劳性能下降，影响座椅的舒适性。因此，对于注塑成型过程翘曲变形的控制尤为重要，目前主要采用模拟技术进行性能评估和优化[9]。对于注塑成型中工艺参数的优化，正交试验法适用于自变量及目标变量多等情况，具有较高的分析效率[10]。本实验以某复合材料座椅支撑板为研究对象，利用模拟技术和正交试验法，探究降低翘曲变形量的优化工艺参数。1座椅支撑板初始分析1.1结构方案图1为座椅支撑板的三维结构。整体尺寸为1 300 mm×285 mm×105 mm，主要由座椅支撑板本体（蓝色部分）和加强筋（绿色部分）构成。通过模压成型获得本体结构，再通过注塑成型获得复杂的加强筋和安装孔。模压和注塑相结合的成型工艺一方面提高座椅支撑板整体的刚度和强度，另一方面提高抗疲劳性能。座椅支撑板在座椅中主要起承载作用，较大的翘曲变形量不仅影响安装，更直接影响乘客的舒适性。本实验研究的座椅支撑板主要应用于客机的座椅，通过实际注塑成型和样品测试发现：该座椅支撑板的最大翘曲变形量超过9.0 mm时，无法正常安装和使用，故9.0 mm为该产品的最大翘曲变形量的设计指标。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F001图1座椅支撑板结构设计Fig.1Structure design of seat panel图2为座椅支撑板的厚度分布。从图2可以看出，主体结构部分壁厚为0.9 mm，加强筋厚度为2.2 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F002图2座椅支撑板厚度属性Fig.2Thickness properties of seat panel1.2材料参数座椅支撑板需要具有较好的刚强度、阻燃性及抗疲劳能力，主体结构部分采用复合材料层合板，由70%连续玻纤增强的有机板铺覆而成。表1为单层有机板材料的性能参数。从表1可以看出，该有机板的纵向拉伸模量和强度明显大于横向，具备明显的各向异性特点，这主要是由于连续玻纤沿单一方向铺覆导致。为了保证复合材料层合板的各个方向均具备较高的力学性能，层合板往往由多层不同铺覆方向的有机板组成。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.T001表1材料参数Tab.1Material parameters参数数值参数数值密度/（g‧cm-3）1.48泊松比0.31纵向弹性模量/GPa35纵向拉伸强度/MPa760横向弹性模量/GPa3横向拉伸强度/MPa26纵向压缩模量/GPa33纵向压缩强度/MPa360横向压缩模量/GPa2.5横向压缩强度/MPa60剪切模量/GPa4284.6纵向延伸率/%2.5加强筋部分由二次注塑成型制成，采用30%长玻纤增强PP材料，表2为其注塑成型工艺参数及基本的力学性能。参考该材料UDB文件中推荐的工艺参数值进行注塑成型试模，得到可成型完整产品的初始工艺参数为：注射时间为3.0 s，v/p切换体积为99%，保压时间为12 s，保压压力为80 MPa，模腔温度为75 ℃，料筒温度为295 ℃，冷却时间为20 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.T002表2材料参数Tab.2Material parameters参数数值参数数值顶出温度/℃218固体密度/（g‧cm-3）1.17模腔温度范围/℃50~100注射时间/s3.0推荐模腔温度/℃75v/p切换体积99%料筒温度范围/℃260~330保压时间/s12推荐料筒温度/℃295保压压力/MPa80剪切应力最大值/MPa0.48冷却时间/s201.3网格模型座椅支撑板采用Fusion双面网格进行网格划分，重点需要控制单元纵横比和匹配率。经过质量修复后的网格质量指标情况为：基本边长2.5 mm、单元总数126 784、最大纵横比5.14、最小纵横比1.16、平均纵横比3.23、匹配百分比91.8%、相互百分比91.3%。网格质量满足工程计算要求，实际计算可正常进行。图3为座椅支撑板的双面网模型，网格诊断结果表明可以正常进行模流分析计算。整体网格尺寸分布较均匀，安装孔区域的网格进行局部加密。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F003图3座椅支撑板网格模型Fig.3Mesh model of seat panel1.4进胶系统设计图4为座椅支撑板的进胶系统。由于座椅支撑板整体尺寸较大，考虑材料流动性采用8点热流道针阀进胶方式注塑，8个热浇口均匀分布，以保证流长比接近，有利于材料均匀收缩和控制变形。各热浇口的具体位置如图中标记，纵向流长比约150 mm，横向流长比约125 mm。热流道系统主要包括圆形热浇口、垂直圆形热流道、水平圆形热流道和圆形热主流道，尺寸分别为Φ6~Φ22 mm、Φ22 mm、Φ22 mm和Φ6~Φ22 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F004图4进胶系统Fig.4Injection runner system图5为约束方式定义。从图5可以看出，本体复合材料作为嵌件类型，图中圈出部分的安装孔区域需要约束。选择安装孔区域的节点进行全自由度约束，包括XYZ的移动和旋转共6个自由度。使用约束于型芯偏移分析，以考虑复合材料本体部分的翘曲变形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F005图5约束方式定义Fig.5Constraint settings1.5初始结果分析采用“填充+保压+翘曲”分析序列，对该座椅支撑板的注塑成型过程进行模拟，图6为计算结果。从图6可以看出，座椅支撑板中部区域及短边的翘曲变形量较小，而长边上翘曲变形量相对较大。座椅支撑板的最大翘曲变形量为12.76 mm，大于设计指标要求的9.0 mm，不满足设计指标要求，需要进行优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F006图6初始工艺下的翘曲变形结果Fig.6Warpage deformation of initial process parameters2正交试验设计与分析2.1正交试验设计参考相关文献并根据产品实际注塑成型生产经验，得到影响翘曲变形量的主要工艺参数为注射时间(A)、v/p切换体积(B)、保压时间(C)、保压压力(D)、模腔温度(E)及料筒温度(F)，故将此6个工艺参数作为自变量[11]。各工艺参数在材料UDB推荐取值范围内各均匀取3个水平，表3为L18(36)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.T003表3L18（36）正交试验因素水平设计Tab.3L18（36） orthogonal test factor level design因素水平123注射时间（A）/s2.53.03.5v/p切换体积（B）/%98.599.099.5保压时间（C）/s91215保压压力（D）/MPa708090模腔温度（E）/℃5075100料筒温度（F）/℃2602953302.2正交试验结果表4为L18(36)正交试验结果。从表4可以看出，座椅支撑板的最大翘曲变形量在7.41~13.25 mm之间，第1组试验的最大翘曲变形量最大，第5组试验最大翘曲变形量最小，二者相差近一倍，说明工艺参数组合对座椅支撑板的最大翘曲变形量的影响较大。第4、5、8、10、11、14、16和17组试验最大翘曲变形量均满足设计指标要求，说明正交试验设计较合理。不同工艺参数及水平下的极差R排序为：RERFRARCRDRB，各工艺参数对最大翘曲变形量的影响程度排序为：模腔温度料筒温度注射时间保压时间保压压力v/p切换体积。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.T004表4L18（36）正交试验结果Tab.4Results of L18（36） orthogonal test试验编号因素最大翘曲变形量/mmABCDEF111111113.25211223311.67312133210.9641231238.6751323217.41613321210.6472113239.9582131327.9492222229.21102233118.58112312318.281223211311.25133123129.33143132218.541532121312.58163221318.55173311228.141833333312.74k110.4310.1110.539.6310.949.10k29.209.769.5710.158.659.37k39.989.749.529.8310.0211.14R1.230.371.010.522.292.04图7为最大翘曲变形量随不同因素水平变化的曲线。从图7可以看出，最大翘曲变形量随注射时间(A)的增大先减小后增大，当注射时间为A2，最大翘曲变形量最小。最大翘曲变形量随v/p切换体积(B)的增大逐渐下降，当v/p切换体积为B3，最大翘曲变形量最小。最大翘曲变形量随保压时间(C)的增大逐渐减小，当保压时间为C3，最大翘曲变形量最小。最大翘曲变形量随保压压力(D)的增大先增大后减小，当保压压力为D1，最大翘曲变形量最小。最大翘曲变形量随模腔温度(E)的增大先减小后增大，当模腔温度为E2，最大翘曲变形量最小。最大翘曲变形量随料筒温度(F)的增大逐渐增大，当料筒温度为F1，最大翘曲变形量最小。综合分析工艺参数组合为A2B3C3D1E2F1，即注射时间为3.0 s、v/p切换体积为99.5%、保压时间为15 s、保压压力70 MPa、模腔温度75 ℃、料筒温度260 ℃，最大翘曲变形量最小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F007图7最大翘曲变形量随因素水平变化曲线Fig.7Curve between maximum warping deformation and factor level为了考察正交试验中误差的相对影响，并了解各工艺参数对座椅支撑板最大翘曲变形量的影响程度，对正交试验进行一次重复试验，并进行方差分析。表5为座椅支撑板的最大翘曲变形量的方差分析结果。从表5可以看出，误差的平均偏差平方和相对较小，说明误差的影响较小，正交试验设计可信度较高。各工艺参数的影响程度排序为：模腔温度料筒温度注射时间保压时间保压压力v/p切换体积，验证极差分析的结论。模腔温度和料筒温度的F值均F0.01，故模腔温度和料筒温度对座椅支撑板的最大翘曲变形量的影响极显著。对于注射时间和保压时间，F0.05F值F0.01，故注射时间和保压时间对座椅支撑板的最大翘曲变形量的影响显著。保压压力和v/p切换体积的F值F0.05，故保压压力和v/p切换体积对座椅支撑板的最大翘曲变形量的影响不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.T005表5最大翘曲变形量方差分析Tab.5Variance analysis of maximum warpage deformation离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值F临界值A4.6622.334.16F0.01（2，23）=5.66F0.05（2，23）=3.42B0.5320.260.47C3.8721.933.46D0.8320.410.74E15.8727.9414.18F14.7727.3913.20误差12.87230.56总和53.39353工艺优化与验证采用模流分析对优化工艺的效果进行验证。图8为优化工艺组合下仿真计算得到座椅支撑板的翘曲变形量。从图8可以看出，最大翘曲变形量为7.384 mm，相比初始工艺降低42.1%，优化效果显著，且满足设计指标要求，验证该优化工艺对最大翘曲变形量具有较好的优化效果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F008图8优化工艺最大翘曲变形量Fig.8Maximum warpage deformation of optimal process parameters图9为优化工艺仿真结果。从图9a可以看出，充填过程等值线分布均匀、无明显密集区域及未填充区域，说明料流充填过程较稳定、无缺胶及滞留现象。从图9b可以看出，填充过程料流前沿温度在299.2~306.7 ℃范围内，温度极差为7.5 ℃，产生温差线的可能性较低。从图9c可以看出，注射压力随时间变化较稳定，最大注射压力在3.0 s左右；最大注射压力为70.0 MPa，低于常规注射机的最大注射压力。研究说明充填过程阻力较小，料流受到的剪切力较小，导致产品残余应力小，不易产生后收缩。从图9d可以看出，最大锁模力为384.0 t，锁模力较小，中型注射机可满足锁模力要求。综上所述，该优化工艺参数优化效果明显，且满足设计指标要求，外观状态预测结果合格，采用该优化工艺进行注塑成型具有可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F009图9优化工艺仿真结果Fig.9Simulation results of optimal process parameters图10为采用该优化工艺参数实际试模得到的样品。从图10可以看出，产品未发生缺胶、温差线、银丝等明显外观问题。试模样品的翘曲变形量测试结果合格，并且可正常装配，满足产品要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.022.F010图10试模样品Fig.10Sample of mold trail4结论对某复合材料座椅支撑板注塑成型过程进行模拟计算，针对初始工艺参数下的最大翘曲变形量超标的问题，利用正交试验探究工艺参数的优化方案。正交试验分析表明，工艺参数对最大翘曲变形量的影响程度排序为：模腔温度料筒温度注射时间保压时间保压压力v/p切换体积。优化的工艺参数为：注射时间3.0 s、v/p切换体积99.5%、保压时间15 s、保压压力70 MPa、模腔温度75 ℃、料筒温度260 ℃。基于优化工艺的模拟结果，最大翘曲变形量为7.384 mm，相对初始工艺优化42.1%，且满足设计指标要求。模流分析的充填过程结果、试模样品状态，验证优化工艺应用于实际的可行性。