大型薄壳制件真空辅助树脂传递模塑工艺充模方案仿真分析及优化
发布时间：2021-01-11 16:24
针对大型树脂基复合材料制件不适于用实验试错法进行充模方案设计的问题,在分析树脂流动规律的基础上将大型薄壳件的求解区域分解,仿真分析了不同充模方案下树脂在纤维中的流动行为和模腔内压力变化,提出在制件填充面积等分处设置流道的方法,选择和优化大型薄壳制件的充模方案。结果表明:①对于不便进行实验试错法进行真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺充模方案设计的大型薄壳制件,可以采用数值模拟的方式,以达西定律、能量守恒定律等为计算依据,求解压力场和速度场,对比不同仿真方案的充模时间等数据合理安排注胶方式方法,指导VARTM工艺制备大型复合材料制件合理安排注胶方式,提高生产率、减少因树脂浸润不均匀产生的缺陷。②对于大型薄壳类制件,忽略厚度方向尺寸,影响充模时间的主要因素为流道长度和树脂流动距离。选取尽可能长的注胶流道,合理设置流道位置以减少树脂流动的距离;长流道可以增加树脂瞬时注入量、提高较长时间的压力差;而树脂流程越长,树脂前锋处压力损失越大,流速越慢。③试验提出了制件填充面积等分处设置流道的方法。将大型薄壳工艺制件充模面积等分,注胶流道布置在垂直于制件长度方向的面积等分线上,可缩短充模时间并减少制...
【文章来源】：东北林业大学学报. 2020,48(04)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
风机叶片外壳单元格模型
根据上述方案仿真结果,选取尽可能长的注胶流道,合理设置流道位置以减少树脂流动的距离,同时尽量保证模具内压力充足,使叶片四周同时浸润,可以缩短完整充模时间,减少树脂浪费。根据方案4中前锋位置和压力随时间的变化,可得到表2、表3。由表2数据可得,流向叶尾的树脂提前完成了浸润流出充模系统,叶尾部分较为狭长,虽然流程长度方向与流向叶根部分相等,但表面积不同。观察树脂充模云图,得到树脂浸润面积的网格数,经计算,7 200 s时流道两侧的树脂浸润面积大致相同,可以考虑将充模流道设置在垂直于制件长度方向的面积等分线上,使得制件内树脂浸润均匀并且减少流失树脂量。由方案4可知,在距离流道较远的狭窄区域充模压力损失大,可通过增添流道的方式,补充树脂和模腔压力差,以达到四周同时浸润的目的。图5 方案1中3点压力-时间变化曲线
随着复合材料制备工艺技术的发展和市场对大尺寸制件需求的增加,短生产周期、低成本、环保型复合材料成型技术成为近年来复合材料领域研究的热点。真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺是一种典型的液态复合材料成型工艺(见图1):将纤维预制体置于模具表面,并铺设用以改善渗透性和树脂流动性的导流介质;设置树脂的入口、出口、流道后,用真空膜袋密封;利用真空泵产生的模腔内外压力差,推动树脂浸润纤维预制体,树脂固化后脱模成型,完成制件加工。VARTM加工过程采用整体闭模成型,制件整体表面光洁度和尺寸精度高,极大提高成型效率的同时可节约制造成本[1-2]。大型薄壳制件充模方案的设计是VARTM工艺技术中的关键环节,会直接影响充模过程中树脂的流动行为、模具内压力变化和完整充模时间等;树脂注胶流道设计、注胶口和溢胶口的位置设计是否合理有效,是影响充模产品质量的重要因素[3]。传统的模具树脂流道设计是以工程试验加经验,采用试错的方法完成的;但实际生产中,树脂流动轨迹复杂,且大型薄壳制件的模具制作过程复杂、试验周期长,仅靠工程试验很难掌握树脂在复杂结构预制体中的流动状态[4]。若在实际生产布置注胶流道之前,借助数值模拟和计算机仿真技术对树脂在模具型腔内的流动状态及流动规律进行模拟仿真,不仅可以缩短产品研制周期、减少瑕疵件的产出比例,而且能够减少人工成本和研发投入,提高制件的力学性能和质量[5-6]。许多研究者通过数值模拟方法研究充模工艺中树脂流动规律。江顺亮[7]提出树脂传递模塑(RTM)充模分析的隐式控制体积法及其迭代方法,改善了隐式方法的迭代过程;杨波等[8]提出了依据混合网格方法的VARTM充模仿真算法;Dong[9]提出了利用响应面法建立流动模型,用以指导工艺参数和导流介质的选择。但针对大型薄壳制件的充模方案选择和优化研究仍然较少。本文通过仿真分析对比树脂在大型薄壳制件中不同宽度部分的流动过程、压力分布,运用将流道布置在制件面积等分线上的方法,改变注胶流道和溢胶口的布置方式,以减少充模时间和树脂富集现象,达到更好的生产效果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]VARTM工艺中纤维渗透率的测量方法研究[J]. 徐硕,刘诚,范豪,花军,许子涵. 林产工业. 2019(04)
[2]基于PAM-RTM软件仿真的RTM工艺复合材料前边条流道设计研究[J]. 李延平,郭鹏亮,苏亮,万建平,殷俊,辛洪南. 教练机. 2018(02)
[3]基于混合网格方法的VARTM工艺充模仿真与实验验证[J]. 杨波,王时龙,毕凤阳. 复合材料学报. 2017(08)
[4]一典型结构复合材料零件的VARTM注射方式优化及实验[J]. 邹如荣,柳和生,赖家美,余松标. 玻璃钢/复合材料. 2015(12)
[5]复合材料副翼典型结构件的VARI工艺模拟及试验验证[J]. 肖飞,姜茂川,刘强,陈志平,张博明. 航空材料学报. 2015(03)
[6]VARI制备高长径比复合材料的树脂流动研究[J]. 傅宏俊,缪赢,缪镐谦,李远,马崇启. 高科技纤维与应用. 2015(01)
[7]RTM充模分析的隐式控制体积法及其迭代方法[J]. 江顺亮. 南昌大学学报(理科版). 2006(02)
硕士论文
[1]机翼复合材料缩比模型蒙皮的RTM成型工艺研究[D]. 詹东.大连理工大学 2017
[2]纤维增强复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及实验研究[D]. 王德盼.南昌大学 2014
本文编号：2971102
【文章来源】：东北林业大学学报. 2020,48(04)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
风机叶片外壳单元格模型
根据上述方案仿真结果,选取尽可能长的注胶流道,合理设置流道位置以减少树脂流动的距离,同时尽量保证模具内压力充足,使叶片四周同时浸润,可以缩短完整充模时间,减少树脂浪费。根据方案4中前锋位置和压力随时间的变化,可得到表2、表3。由表2数据可得,流向叶尾的树脂提前完成了浸润流出充模系统,叶尾部分较为狭长,虽然流程长度方向与流向叶根部分相等,但表面积不同。观察树脂充模云图,得到树脂浸润面积的网格数,经计算,7 200 s时流道两侧的树脂浸润面积大致相同,可以考虑将充模流道设置在垂直于制件长度方向的面积等分线上,使得制件内树脂浸润均匀并且减少流失树脂量。由方案4可知,在距离流道较远的狭窄区域充模压力损失大,可通过增添流道的方式,补充树脂和模腔压力差,以达到四周同时浸润的目的。图5 方案1中3点压力-时间变化曲线
随着复合材料制备工艺技术的发展和市场对大尺寸制件需求的增加,短生产周期、低成本、环保型复合材料成型技术成为近年来复合材料领域研究的热点。真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺是一种典型的液态复合材料成型工艺(见图1):将纤维预制体置于模具表面,并铺设用以改善渗透性和树脂流动性的导流介质;设置树脂的入口、出口、流道后,用真空膜袋密封;利用真空泵产生的模腔内外压力差,推动树脂浸润纤维预制体,树脂固化后脱模成型,完成制件加工。VARTM加工过程采用整体闭模成型,制件整体表面光洁度和尺寸精度高,极大提高成型效率的同时可节约制造成本[1-2]。大型薄壳制件充模方案的设计是VARTM工艺技术中的关键环节,会直接影响充模过程中树脂的流动行为、模具内压力变化和完整充模时间等;树脂注胶流道设计、注胶口和溢胶口的位置设计是否合理有效,是影响充模产品质量的重要因素[3]。传统的模具树脂流道设计是以工程试验加经验,采用试错的方法完成的;但实际生产中,树脂流动轨迹复杂,且大型薄壳制件的模具制作过程复杂、试验周期长,仅靠工程试验很难掌握树脂在复杂结构预制体中的流动状态[4]。若在实际生产布置注胶流道之前,借助数值模拟和计算机仿真技术对树脂在模具型腔内的流动状态及流动规律进行模拟仿真,不仅可以缩短产品研制周期、减少瑕疵件的产出比例,而且能够减少人工成本和研发投入,提高制件的力学性能和质量[5-6]。许多研究者通过数值模拟方法研究充模工艺中树脂流动规律。江顺亮[7]提出树脂传递模塑(RTM)充模分析的隐式控制体积法及其迭代方法,改善了隐式方法的迭代过程;杨波等[8]提出了依据混合网格方法的VARTM充模仿真算法;Dong[9]提出了利用响应面法建立流动模型,用以指导工艺参数和导流介质的选择。但针对大型薄壳制件的充模方案选择和优化研究仍然较少。本文通过仿真分析对比树脂在大型薄壳制件中不同宽度部分的流动过程、压力分布,运用将流道布置在制件面积等分线上的方法,改变注胶流道和溢胶口的布置方式,以减少充模时间和树脂富集现象,达到更好的生产效果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]VARTM工艺中纤维渗透率的测量方法研究[J]. 徐硕,刘诚,范豪,花军,许子涵. 林产工业. 2019(04)
[2]基于PAM-RTM软件仿真的RTM工艺复合材料前边条流道设计研究[J]. 李延平,郭鹏亮,苏亮,万建平,殷俊,辛洪南. 教练机. 2018(02)
[3]基于混合网格方法的VARTM工艺充模仿真与实验验证[J]. 杨波,王时龙,毕凤阳. 复合材料学报. 2017(08)
[4]一典型结构复合材料零件的VARTM注射方式优化及实验[J]. 邹如荣,柳和生,赖家美,余松标. 玻璃钢/复合材料. 2015(12)
[5]复合材料副翼典型结构件的VARI工艺模拟及试验验证[J]. 肖飞,姜茂川,刘强,陈志平,张博明. 航空材料学报. 2015(03)
[6]VARI制备高长径比复合材料的树脂流动研究[J]. 傅宏俊,缪赢,缪镐谦,李远,马崇启. 高科技纤维与应用. 2015(01)
[7]RTM充模分析的隐式控制体积法及其迭代方法[J]. 江顺亮. 南昌大学学报(理科版). 2006(02)
硕士论文
[1]机翼复合材料缩比模型蒙皮的RTM成型工艺研究[D]. 詹东.大连理工大学 2017
[2]纤维增强复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及实验研究[D]. 王德盼.南昌大学 2014
本文编号：2971102
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