树脂转移模塑充模过程注射参数优化与缺陷预测研究

发布时间：2020-04-07 01:51

【摘要】：树脂转移模塑(Resin Transfer Moulding)成型是一种将树脂充入铺放好的纤维预成形体中,并在一定条件下固化成型的先进复合材料成型技术。该技术因其成本低,操作环境好,适合大型结构件整体成型等优点,在航空航天、汽车制造、铁路系统和船舶等领域具有非常广阔的应用前景。但是在RTM充模过程中,由于影响树脂浸润纤维过程的参数众多,一旦控制不当,成型出的零件容易出现干斑、气泡等成型缺陷。为了选择合适的工艺参数,控制充模过程中的缺陷产生,本文分析了树脂在RTM工艺中的流动行为,建立了气液两相流数学模型,并基于该模型优化了RTM多孔注射过程中的工艺参数,此外还对干斑、气泡的预测与控制进行了深入分析。具体研究工作如下:(1)分析了树脂在纤维预成型体中的流动过程,基于Darcy定律和质量守恒方程并结合Navier-Stokes方程,建立了RTM充模过程气液两相流模型,然后采用VOF方法追踪树脂的流动前沿,同时结合PLIC界面重构方法构造两相界面,最终实现了RTM充模过程的仿真。为了证明上述数值模拟方法的正确性,将平板模型的一维和二维充模流动实验和模拟结果进行了对比,发现两者的树脂流动前沿基本吻合,从而证明了本文数值模拟方法的正确性。(2)基于RTM充模过程的模拟分析了干斑和气泡缺陷的形成与预测。首先阐述了干斑的形成和演变机理,模拟了存在边缘效应时干斑的形成过程,并研究了当纤维预成型体渗透率不均匀时,局部渗透率的大小对树脂流动的影响和对充模时间的影响,发现当局部渗透率小于一个临界值时会形成干斑,充模时间也急剧增大。通过模拟进一步发现通过改变注射口和排气口的位置可以有效地控制干斑缺陷的形成。然后,分析了气泡的形成机理,在宏观气泡和微观气泡的含量与树脂流速之间关系的基础上,通过模拟得到制件最终的气泡含量。(3)以三维复杂结构的组合结构为研究对象,对多孔注射RTM中的工艺参数进行了优化设计,结合已有的研究提出了一种评价注射口和排气口方案合理性的工艺性能指标,并利用该指标对七组不同的注射方案进行仿真后的模拟结果进行评价,得到最优的注射口和排气口方案。在此基础上,进一步研究了注射压力和注射方式对树脂流动情况的影响,最终得到了一条先恒流后恒压注射的注射压力曲线为最优注射方案。
【图文】：

树脂转移模塑充模过程注射参数优化与缺陷预测研究合材料制造计划，其中都将 RTM 列为重点成型技术。从此，RTM 成型技术开始迅速发展，并被大量地运用于航空结构件的成型制造，如图 1.1 所示。国内 RTM 技术由于缺乏设计、制造和使用方面的经验而开展的较晚，为促进国内航空航天领域复合材料的发展，国内于 2000 年前后开展了一系列复合材料高新技术研发项目。其中，“中国制造 2025”概念中明确将“新材料、航空材料”列为重点突破的发展领域，“大飞机计划”、“两机专项”计划提出要实现飞机结构的减重与增效，并发展低成本 LCM（Liquid Composite Molding）计划以及整体结构成型技术。截止目前，RTM 成型工艺已在我国的航空航天领域有了成功的应用。

图 1.2 RTM 的工艺流程和传统的热压罐成型工艺相比，RTM 成型工艺的优点主要有[11]：1、不需要设计建造大型的热压罐设备，减少了树脂固化时耗费的能量。2、成型出的零件尺寸不受热压罐尺寸的限制，适合大型结构件的整体成型；3、热压罐成型工艺采用的纤维是存储要求较高的预浸料，而 RTM 成型工艺采用的干大减少了预浸料的存放成本；4、RTM 成型工艺采用的闭模树脂注入方式避免了人工操作时树脂中含有的苯乙烯等对人体的伤害；5、RTM 成型工艺的温度、压力条件相对较低，因此该工艺降低了成型模具的设计要了模具成本。综上所述，RTM 及其衍生工艺由于具备以上多种优势逐渐成为了 21 世纪降低复合材本的关键技术。为了使 RTM 工艺能够进一步扩大其应用范围，研发人员不断改进复型技术以适用市场需求，，其中衍生出一系列新的技术，包括 MIT-RTM(Multiple InsertM)、HP-RTM（High Pressure RTM），等等。MIT-RTM是英国上世纪90年代开发一种高效的RTM技术。MIT-RTM技术是将原本在
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ320.662

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本文编号：2617290