风机叶片VARTM工艺制备过程的模拟与实验研究
发布时间：2021-10-19 10:27
真空辅助树脂传递模塑（Vacuum assisted resin transfer molding,简称VARTM）技术是一种新型的高性能、高经济性聚合物复合材料成型工艺。由于具有成品力学性能高、生产操作简便、工艺成本低、对周围环境危害小等制造优势,已可用于风力发电机组中的风电叶片制备,不仅提高了叶片的性能,而且也能满足节能无害环保的需求。本文主要研究目标是对VARTM技术中树脂流动行为进行研究得出树脂流动基本规律,分析影响树脂流动行为的因素,并将工艺应用于叶片迎风面壳体制备中,通过数值模拟有限元仿真确定工艺方案,实验制备按比例缩小的叶片制件对玻纤复合材料风机叶片的充模时间和充模质量进行探究,探讨叶片制备的充模方案是否符合工艺要求与环保要求,同时分析对比仿真与实验结果证实理论分析对于预测充模过程的可行性。基于以上目标,本文主要研究了以下三部分的内容。为了探索玻璃纤维真空辅助模塑下树脂的浸润规律,了解树脂在玻璃纤维多孔介质中的浸润过程,运用达西定律和质量守恒方程,引入赫尔肖流动理论建立树脂充模过程中模腔压力变化模型和基本控制方程,探究影响VARTM工艺中驱动力对充模过程的影响,以达到通过...
【文章来源】：东北林业大学黑龙江省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２中国能源结构现状??近几年，我国风力发电技术己基本成熟，风力发电弃能限电的情况在全国范围内有??
叶片〖１８１。中材科技公司突破了国外叶根预埋专利技术限制，掌握了?ＶＡＲＴＭ工艺制备??叶片的关键技术，在国内首次开发了叶片主动式电热防除冰技术，推进了低风速大叶型??生产提速项目，大大降低了成本，实现２４小时占模周期，提升了年产效能。此外，从??设计端开始优化材料及工艺设计，部分叶型产品己实现减重我国的风电新增装??机和累计装机量在全球范围内持续保持领先。??霪、讀…＜ｒ?；，—’??？?，酸，?：ｒ?ｔ??１＾：＇，??⑷风力发电机?（ｂ）ＶＡＲＴＭ技术制备风机叶片??图１?－３?ＶＡＲＴＭ应用于风电行业??１．３．２?ＶＡＲＴＭ技术数值模拟的研究现状??随着对ＶＡＲＴＭ工艺原理及树脂流动规律的深入丫解，丨内外对于ＶＡＲＴＭ工艺的??数值模拟应用也展开了相关研究。在大多数情况下，对树脂充模过程进行仿真模拟可以??确定注胶口和溢胶口的最佳位置、树脂和纤维材料的组合等有利于优化充模时间，并ＩＩ??极大地避免诸如树脂富集区域，气泡，干斑，高孔隙率区域以及固化收缩后形成裂纹等??问题。??在ＶＡＲＴＭ工艺中，向纤维增强材料中注入树脂的过程被认为是充填多孔介质的过??程。运用数值模拟的方法不仅要预测树脂在纤维屮的流动规律与前沿形状，而且需要解??决树脂在纤维增强材料中温度场勹丨丨（力场的动态耦合问题。树脂在多孔介质中的滲流是??复杂的三维瞬态过程，因此对ＶＡＲＴＭ工艺中的树脂充填流动过程进行有效的数值模拟??需要考虑诸多复杂因素，难度相当大但也尤为重要ｌ２（ｕｎ。??国外对于ＶＡＲＴＭ技术的数值模拟一般以充模分析软件为基础，进行仿肚模拟并与??实验结果进行比对研究。许多学者和科研机构均开发了各种应用于不同充榄环境的
相同，真空压力越大充模时间越短，而毛细效应对充模时间的影响主要取决于??不同纤维材料预处理时发生的化学反应程度不同。??２．２?ＶＡＲＴＭ工艺概述??２．２．１?ＶＡＲＴＭ工艺原理及特点??ＶＡＲＴＭ工艺的原理为用真空袋膜将纤维预制体完全包裹于模具之上，并在纤维上??依次铺设相应真空辅材，使用真空泵制造完全真空的环境，利用模腔内与大气压的压力??差推动树脂从树脂罐内流向模具，待树脂完全浸润纤维预制体后保持真空泵打开一段时??间，经过固化及后处理便可得到复合材料制品。其工艺生产装置如图２－１所示：??树脂流动力向??１?２?３?４?５??［?「?厂?「?广??／?／?／?／?／??／?ｉ?ｊ?＃■＇？?／?ｉ??撤］丨?／?Ｉ—ｆ??Ｉ?：：??１．真空泵２．橡胶管３．树脂收集器４．模具、纤维铺层及真空辅材５．树脂??图２－１?ＶＡＲＴＭ工艺生产装置示意图??整个工艺系统中最重要的部分为模具、纤维铺层及真空辅材部分．材料铺装的选择??与铺层顺序都决定充模成功与否和制件质量，合理的铺层顺序不仅有利于树脂在模具内??的流动且便于脱模，保持制件的完整性。工艺屮所；／，丨材料和具休铺层顺序如图２－２所??７Ｋ?〇??？９－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型高性能复合材料构件RTM工艺进展[J]. 赵安安,杨文凯,于飞,刘文浩,鲁世红. 南京航空航天大学学报. 2020(01)
[2]中材科技：御风而上[J]. 周晓兰. 能源. 2020(01)
[3]国内外碳纤维复合材料及结构供应与制造现状[J]. 周震,陈少军,黄文俊,胡仁伟,程小全. 高科技纤维与应用. 2018(06)
[4]三维机织复合材料机匣RTM成型仿真分析[J]. 张璇. 塑料科技. 2018(06)
[5]2016～2017年世界塑料工业进展（Ⅱ）[J]. 宁军. 塑料工业. 2018(04)
[6]复合材料加筋壁板结构件VARI液体成型工艺计算模拟[J]. 肖飞,原崇新,丛晶洁. 航空材料学报. 2016(04)
[7]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)
[8]基于PAM-RTM的碳纤维复合材料汽车前地板成型过程数值模拟研究[J]. 纪俊洋,刘婷婷,傅超,李仲,甘学辉. 材料导报. 2015(S2)
[9]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)
[10]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)
博士论文
[1]树脂基复合材料固化行为的多尺度仿真研究[D]. 李冬娜.兰州理工大学 2018
[2]树脂传递模塑工艺过程的数值模拟[D]. 杨俊英.山东大学 2007
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]碳纤维增强复合材料HP-RTM成型工艺及孔隙控制研究[D]. 王跃飞.湖南大学 2017
[3]基于VARTM工艺缝合泡沫夹层结构复合材料的制备及力学性能研究[D]. 鄢冬冬.南昌大学 2016
[4]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
[5]树脂传递模塑成型工艺设计及数值模拟[D]. 杨波.哈尔滨工业大学 2011
[6]VARTM工艺浸润过程及其应用基础研究[D]. 郑澎.中北大学 2011
本文编号：3444696
【文章来源】：东北林业大学黑龙江省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２中国能源结构现状??近几年，我国风力发电技术己基本成熟，风力发电弃能限电的情况在全国范围内有??
叶片〖１８１。中材科技公司突破了国外叶根预埋专利技术限制，掌握了?ＶＡＲＴＭ工艺制备??叶片的关键技术，在国内首次开发了叶片主动式电热防除冰技术，推进了低风速大叶型??生产提速项目，大大降低了成本，实现２４小时占模周期，提升了年产效能。此外，从??设计端开始优化材料及工艺设计，部分叶型产品己实现减重我国的风电新增装??机和累计装机量在全球范围内持续保持领先。??霪、讀…＜ｒ?；，—’??？?，酸，?：ｒ?ｔ??１＾：＇，??⑷风力发电机?（ｂ）ＶＡＲＴＭ技术制备风机叶片??图１?－３?ＶＡＲＴＭ应用于风电行业??１．３．２?ＶＡＲＴＭ技术数值模拟的研究现状??随着对ＶＡＲＴＭ工艺原理及树脂流动规律的深入丫解，丨内外对于ＶＡＲＴＭ工艺的??数值模拟应用也展开了相关研究。在大多数情况下，对树脂充模过程进行仿真模拟可以??确定注胶口和溢胶口的最佳位置、树脂和纤维材料的组合等有利于优化充模时间，并ＩＩ??极大地避免诸如树脂富集区域，气泡，干斑，高孔隙率区域以及固化收缩后形成裂纹等??问题。??在ＶＡＲＴＭ工艺中，向纤维增强材料中注入树脂的过程被认为是充填多孔介质的过??程。运用数值模拟的方法不仅要预测树脂在纤维屮的流动规律与前沿形状，而且需要解??决树脂在纤维增强材料中温度场勹丨丨（力场的动态耦合问题。树脂在多孔介质中的滲流是??复杂的三维瞬态过程，因此对ＶＡＲＴＭ工艺中的树脂充填流动过程进行有效的数值模拟??需要考虑诸多复杂因素，难度相当大但也尤为重要ｌ２（ｕｎ。??国外对于ＶＡＲＴＭ技术的数值模拟一般以充模分析软件为基础，进行仿肚模拟并与??实验结果进行比对研究。许多学者和科研机构均开发了各种应用于不同充榄环境的
相同，真空压力越大充模时间越短，而毛细效应对充模时间的影响主要取决于??不同纤维材料预处理时发生的化学反应程度不同。??２．２?ＶＡＲＴＭ工艺概述??２．２．１?ＶＡＲＴＭ工艺原理及特点??ＶＡＲＴＭ工艺的原理为用真空袋膜将纤维预制体完全包裹于模具之上，并在纤维上??依次铺设相应真空辅材，使用真空泵制造完全真空的环境，利用模腔内与大气压的压力??差推动树脂从树脂罐内流向模具，待树脂完全浸润纤维预制体后保持真空泵打开一段时??间，经过固化及后处理便可得到复合材料制品。其工艺生产装置如图２－１所示：??树脂流动力向??１?２?３?４?５??［?「?厂?「?广??／?／?／?／?／??／?ｉ?ｊ?＃■＇？?／?ｉ??撤］丨?／?Ｉ—ｆ??Ｉ?：：??１．真空泵２．橡胶管３．树脂收集器４．模具、纤维铺层及真空辅材５．树脂??图２－１?ＶＡＲＴＭ工艺生产装置示意图??整个工艺系统中最重要的部分为模具、纤维铺层及真空辅材部分．材料铺装的选择??与铺层顺序都决定充模成功与否和制件质量，合理的铺层顺序不仅有利于树脂在模具内??的流动且便于脱模，保持制件的完整性。工艺屮所；／，丨材料和具休铺层顺序如图２－２所??７Ｋ?〇??？９－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型高性能复合材料构件RTM工艺进展[J]. 赵安安,杨文凯,于飞,刘文浩,鲁世红. 南京航空航天大学学报. 2020(01)
[2]中材科技：御风而上[J]. 周晓兰. 能源. 2020(01)
[3]国内外碳纤维复合材料及结构供应与制造现状[J]. 周震,陈少军,黄文俊,胡仁伟,程小全. 高科技纤维与应用. 2018(06)
[4]三维机织复合材料机匣RTM成型仿真分析[J]. 张璇. 塑料科技. 2018(06)
[5]2016～2017年世界塑料工业进展（Ⅱ）[J]. 宁军. 塑料工业. 2018(04)
[6]复合材料加筋壁板结构件VARI液体成型工艺计算模拟[J]. 肖飞,原崇新,丛晶洁. 航空材料学报. 2016(04)
[7]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)
[8]基于PAM-RTM的碳纤维复合材料汽车前地板成型过程数值模拟研究[J]. 纪俊洋,刘婷婷,傅超,李仲,甘学辉. 材料导报. 2015(S2)
[9]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)
[10]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)
博士论文
[1]树脂基复合材料固化行为的多尺度仿真研究[D]. 李冬娜.兰州理工大学 2018
[2]树脂传递模塑工艺过程的数值模拟[D]. 杨俊英.山东大学 2007
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]碳纤维增强复合材料HP-RTM成型工艺及孔隙控制研究[D]. 王跃飞.湖南大学 2017
[3]基于VARTM工艺缝合泡沫夹层结构复合材料的制备及力学性能研究[D]. 鄢冬冬.南昌大学 2016
[4]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
[5]树脂传递模塑成型工艺设计及数值模拟[D]. 杨波.哈尔滨工业大学 2011
[6]VARTM工艺浸润过程及其应用基础研究[D]. 郑澎.中北大学 2011
本文编号：3444696
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