真空灌注工藝的模擬研究

王 剛

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津300450)

真空灌注工藝的模擬研究

王 剛

(天津東汽風電葉片工程有限公司 天津300450)

闡述了真空灌注工藝的原理，并對該工藝在風電葉片生產中的應用進行介紹，通過簡化實驗模型，并使用軟件模擬真空灌注過程，分析出樹脂粘度、壓強、抽氣口和進膠口的位置和數(shù)量等工藝參數(shù)對真空灌注工藝的影響，從而對風電葉片生產的工藝方案提供理論參考依據。

真空灌注工藝 軟件模擬 充模時間

0 引 言

真空灌注工藝是在剛性模具上鋪“干”的增強材料(如玻璃纖維、碳纖維、夾心材料等)，然后鋪放導流介質、真空袋等，密封后，通過抽真空排除腔內氣體，利用真空產生的壓力把樹脂通過預鋪的導流介質壓入增強材料層中，讓樹脂浸潤增強材料最后充滿整個模具，制品固化后，揭去真空袋材料，從模具上得到所需的制品。

真空灌注工藝具有成品率高、產品性能好、適用于大尺寸復雜構件的制備等優(yōu)點，因此目前風電葉片的制造均采用該工藝成型。但是真空灌注工藝也存在一定的風險，尤其是像風電葉片這樣大型且結構復雜的產品，一旦在樹脂灌注中失敗，產品易報廢。因此要有較完善的前期研究，將各因素對真空灌注工藝的影響進行深入分析，制定出全面的工藝方案和有效的補救措施，以避免干纖維、發(fā)白等質量問題，從而保證工藝的成功。

影響真空灌注工藝的因素有很多，包括溫度、樹脂粘度、材料的結構及鋪層方式、真空度、抽氣口和進膠口的位置和數(shù)量等。由于風電葉片的結構和鋪層方式復雜，在此不做深入探討，本文將鋪層結構進行簡化，主要選擇其中的幾個主要因素，如樹脂粘度、樹脂灌注方式、真空壓力等，通過設計實驗并使用軟件模擬來研究這些因素對真空灌注工藝充模過程及結果的影響。

1 實驗內容

由于葉片的形狀和鋪層結構較為復雜，對真空灌注工藝的影響也相當大，為了更突出地表現(xiàn)出樹脂粘度、灌注方式、真空壓力等因素對灌注過程的影響，本文將實驗模型簡化為平板復合材料構件，并通過在進料口施加壓力，將樹脂壓入腔體，根據達西定律在計算機上編制軟件，用于計算和模擬平板復合材料構件的樹脂流動過程，該程序具有顯示流動過程和輸出任一時刻壓強分布的功能。

在軟件中輸入參數(shù)，點擊開始后，計算機屏幕上會動態(tài)顯示樹脂填充流動過程。屏幕左部分動態(tài)顯示彩色流動畫面，并且在其下部顯示填充時間序號和填充時間。在動態(tài)顯示結束后，流動畫面下面顯示的是最終的填充時間序號和填充時間。屏幕右部分顯示部分參數(shù)數(shù)據和不同時刻對應的畫面顏色。

通過計算機模擬，可以分析出樹脂粘度、壓力、滲透率等因素對樹脂流動的影響。本文主要進行以下幾個實驗：①模擬并分析進料口和出料口的位置對充模過程的影響；②模擬并分析不同填充壓強對充膜時間的影響；③模擬并分析不同滲透率對充膜時間的影響；④模擬并分析不同粘度系數(shù)對充模時間的影響；⑤分析樹脂灌注過程中壓力場的分布。

2 實驗結果與討論

2.1 進料口和出料口的位置對充模過程的影響

2.1.1 實驗參數(shù)

設定模具的最大輪廓尺寸，按順序分別對應于x、y、z 3個方向，即寬、長、高分別為 60,cm，80,cm，0.4,cm；X、Y軸方向網格數(shù)分別為30，40；X、Y軸方向的滲透率為10.0×10-6,cm-2；樹脂粘度系數(shù)為50,cp；注射壓力為0.2,MPa。

2.1.2 實驗結果

灌注方式 1：進料口坐標(15，20)、(15，21)、(16，20)、(16，21)；出料口坐標(0，0)、(0，40)、(30，40)、(30，0)。

灌注方式 2：進料口坐標(0，0)、(0，1)、(1，0)、(1，1)；出料口坐標(30，0)、(0，40)、(30，40)。

灌注方式 3：進料口坐標(15，0)、(16，0)、(15，1)、(16，1)，(15，40)、(16，40)、(15，39)、(16，39)；出料口坐標(0，20)、(0，21)、(30，21)、(30，20)。

2.1.3 結果分析(見圖1)

圖1 3種進膠方式的流動Fig.1 Flow of three different injection ways

上面采用了 3種進膠方式，所呈現(xiàn)的樹脂流動過程是不一樣的，但溢料口(抽氣口)的設置卻是有規(guī)律的，即樹脂最后流到的位置。若在其他位置留有溢料口，當樹脂流到此處后即流出，樹脂未到達的地方就很難灌注了，尤其在大尺寸復雜構件中，進膠口和抽氣口的設置特別重要，往往不是單一的孔，而是與之連接而成的灌注或抽氣網絡。

另外達西定律t＝?2,h/(2k△P)中，其中t是導入時間，?是樹脂流動長度，指的樹脂進料口與到達出料口的之間的距離，由此可見，樹脂流動長度不宜過長，因此在風電葉片的生產中，真空灌注的完成需要包括完善的進膠導流系統(tǒng)和抽氣動力系統(tǒng)。

2.2 不同壓強對樹脂充膜時間的影響

2.2.1 實驗參數(shù)

寬、長、高分別為 60,cm，80,cm，0.4,cm；X、Y軸方向網格數(shù)分別為30，40；X、Y軸方向的滲透率為10.0×10-6,cm-2；樹脂粘度系數(shù)為50,cp。

灌注方式：進料口坐標(15，20)、(15，21)、(16，20)、(16，21)；出料口坐標(0，0)、(0，40)、(30，40)、(30，0)。

2.2.2 實驗結果(見表1)

表1 壓強與充模時間關系表Tab.1 The relational table of pressure and filling time

圖2 壓強與充模時間關系曲線Fig.2 The relational curve of pressure and filling time

2.2.3 結果分析(見圖2)

在其他條件不變的情況下，壓強與時間成反曲線關系，即壓強愈大，注射時間越短。在風電葉片的生產中，對真空系統(tǒng)的要求極其高，首先壓力就是動力，樹脂的流動就是靠真空負壓進行的，整個系統(tǒng)的壓力大小直接影響到樹脂流動性，因此必須抽到接近真空狀態(tài)，并且在關閉動力后能夠保住壓力不泄，這樣才能保證樹脂流動有足夠的動力；其次，局部漏氣點不但會影響壓力的大小，還會影響壓力場的分布，導致灌注不能按預期進行。

2.3 不同滲透率對充膜時間的影響

2.3.1 實驗參數(shù)

寬、長、高分別為 60,cm，80,cm，0.4,cm；X、Y軸方向網格數(shù)分別為 30，40；樹脂粘度系數(shù)為 50,cp；注射壓力為0.2,MPa；

灌注方式：進膠口坐標(15，20)、(15，21)、(16，20)、(16，21)；出料坐標(0，0)、(0，40)、(30，40)、(30，0)。

2.3.2 實驗數(shù)據(見表2)

2.3.3 結果分析(見圖3)

在其他條件不變的情況下，滲透率與注射時間成反曲線的關系，即滲透率越大，注射時間越短。風電葉片的形狀和結構都很復雜，使用的材料也不止一種，不同材料的滲透率是不同的，如巴薩木、PVC泡沫、不同編制方式的纖維布等，且不同厚度的同種材料滲透效果也不同，纖維層數(shù)越厚，在真空壓力下致密度越高，滲透效果越差，灌注就越困難。高滲透率導流介質的應用，大大縮短了充模時間，樹脂在導流介質中流動大大快于在預制件中的流動。另外也可在較難滲透的材料上開孔或開淺槽，形成一定的導流效果，使得不同材料之間樹脂流動的速度大體一致，可保證葉片灌注成功。在工藝中還要防止由于不合理鋪層等導致的“短路效應”，在這些低阻力區(qū)，樹脂流動速度會增加 10～100倍，使工藝不能在預想的情況下進行。

表2 滲透率與充模時間關系表Tab.2 The relational table of permeability and filling time

圖3 滲透率與充模時間關系圖Fig.3 The relational curve of permeability and filling time

2.4 不同粘度系數(shù)對RTM工藝樹脂充模時間的影響

2.4.1 實驗參數(shù)

寬、長、高分別為 60,cm，80,cm，0.4,cm；X、Y軸方向網格數(shù)分別為30，40；X、Y軸方向的滲透率為10.0×10-6,cm-2；注射壓力為0.2,MPa。

灌注方式：進料口坐標(15，20)、(15，21)、(16，20)、(16，21)；出料口坐標(0，0)、(0，40)、(30，40)、(30，0)。

2.4.2 實驗數(shù)據(見表3)

2.4.3 結果分析(見圖4)

在其他條件不變的情況下，樹脂粘度系數(shù)與注射時間呈線性關系，即樹脂粘度越大，需要的注射時間越長。由此可以看出，風電葉片這種大尺寸構件必須采用低粘度的樹脂，否則成型時間會很長。目前主要使用的樹脂是環(huán)氧樹脂，為熱固性樹脂，隨著灌注時間的增加，樹脂與固化劑發(fā)生固化反應，樹脂粘度也會不斷增加，放出較高熱量，然而溫度的上升進一步促進固化反應的發(fā)生，粘度的增加則會導致樹脂無法流動，造成相應的質量問題。因此樹脂的初始溫度極為重要，當處于低溫時，樹脂隨溫度升高，粘度會降低，但當溫度達到 35,℃左右時，溫度對固化反應的促進作用更大，直接導致樹脂的粘度很快增大，不利于葉片灌注。

表3 粘度與充模時間關系表Tab.3 The relational table of resin viscosity and filling time

圖4 粘度與充模時間關系圖Fig.4 The relational curve of resin viscosity and filling time

2.5 樹脂注射過程中壓力場的分布

2.5.1 實驗數(shù)據

對壓力場的分析采用實驗3.1中的灌注方式3，在時間序號n＝365時的壓力場分布如圖5所示(縱坐標為壓力/MP)：

2.5.2 結果分析

由圖 5可以看出此刻壓力場的分布，我們可以用同樣的方法對真空灌注工藝中的壓力場進行分析，在真空灌注工藝中預制件受到的外壓是大氣壓(P)，這個壓力由樹脂壓力(Pr)和纖維結構支撐(Pf)，即：P＝Pr＋Pf。

樹脂在進口處的壓力為 1個大氣壓，其流動前鋒的壓力為零，樹脂壓力從流動前鋒到進口處，其壓力是從 0～1個大氣壓的分布，離開流動前鋒越遠樹脂壓力越大，相應預制件受的壓力越小，纖維受壓縮也越小，厚度也較大。因此產品厚度和含膠量是隨著樹脂的流動方向改變的，離真空源越遠，樹脂含量越高，產品也越厚。而關閉樹脂進口，繼續(xù)保持真空出口，使樹脂壓力穩(wěn)定地減少，從而預制件進一步壓縮，可減緩厚度不均的現(xiàn)象。

圖5 壓力場分布圖Fig.5 Pressure field distribution

3 結 語

以上幾組實驗，通過軟件模擬了不同條件下樹脂的充模過程，可以看出壓力、管路布置方式。樹脂粘度和材料滲透率都是影響真空灌注工藝的主要參數(shù)，通過數(shù)據分析得出其數(shù)量關系，并聯(lián)系葉片生產的實際情況進行歸納分析，得出結論。這對真空灌注工藝的基礎研究推動效果顯著，同樣對葉片生產工藝方案的制定起到了一定的指導作用。

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Simulation of Vacuum Infusion Process

WANG Gang
(Tianjin Dongqi Wind Turbine Blade Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China)

This paper describes the principle of vacuum infusion process and its application in the production of wind turbine blades．By simplifying the experimental model and using software to simulate the vacuum infusion process，the effect of process parameters on the vacuum infusion process can be analyzed．Main process parameters include resin viscosity，pressure，the number and location of exhaust port and resin inlet．The results provide a reference for wind blade production technology program.

vacuum infusion process；software simulation；filling time

O633.13

A

1006-8945(2015)11-0032-03

2015-10-09