基于平板模型的熱固性樹(shù)脂浸潤(rùn)成型過(guò)程的數(shù)值模擬

張秀娟，畢超

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京　10029）

基于平板模型的熱固性樹(shù)脂浸潤(rùn)成型過(guò)程的數(shù)值模擬

張秀娟，畢超

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京10029）

本文使用PAM-RTM軟件，基于平板模型研究了熱固性樹(shù)脂浸潤(rùn)成型過(guò)程中重力對(duì)浸潤(rùn)效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)在樹(shù)脂浸潤(rùn)中平板與水平面的夾角大小及浸潤(rùn)方向平板長(zhǎng)度均顯著影響浸潤(rùn)時(shí)間。此外，還研究了樹(shù)脂黏度和填充纖維織物的滲透率對(duì)填充時(shí)間的影響。

樹(shù)脂浸潤(rùn)；數(shù)值模擬；滲透率；填充時(shí)間

樹(shù)脂浸潤(rùn)填充工藝是樹(shù)脂傳遞成型工藝（RTM）的重要分支。近年來(lái)，由于熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、良好的工藝性及耐腐蝕性等優(yōu)異性能，因此在航空航天、交通、電力及建筑等多領(lǐng)域得到了廣泛的使用。為了提高制品制備的效率，研究人員往往借助數(shù)值計(jì)算的手段來(lái)指導(dǎo)浸潤(rùn)制品及工藝的設(shè)計(jì)。呂昶[3]等運(yùn)用有限元法/控制體積法對(duì)二維制件的浸潤(rùn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，為注膠口和排氣口的合理優(yōu)化布置提供了重要的理論支撐。江順亮研究了不同類型單元在CVFEM計(jì)算過(guò)程中的計(jì)算精度和計(jì)算速度。卜建輝[5]等采用有限元/控制體積法實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜薄壁構(gòu)件的充填模式、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的模擬。目前針對(duì)樹(shù)脂浸潤(rùn)過(guò)程中重力的影響還未見(jiàn)報(bào)道。本文利用PAM-RTM軟件對(duì)樹(shù)脂浸潤(rùn)成型工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了重力、滲透率以及物料黏度對(duì)樹(shù)脂充填時(shí)間的影響。

1　數(shù)值模擬

1.1基本假設(shè)

本文研究中基于如下基本假設(shè)：①纖維與樹(shù)脂之間沒(méi)有質(zhì)量交換；②纖維預(yù)成型體和樹(shù)脂的密度在填充的過(guò)程中均保持不變；③忽略樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程中的慣性作用；④由于充模過(guò)程相對(duì)于固化過(guò)程來(lái)說(shuō)時(shí)間非常短，充模過(guò)程中的樹(shù)脂黏度變化很小，所以忽略樹(shù)脂在填充階段的化學(xué)作用，把充模過(guò)程看成是一個(gè)物理的過(guò)程。

1.2數(shù)學(xué)方程

通常情況下，把樹(shù)脂在纖維織物中的充填過(guò)程假設(shè)成不可壓縮流體流過(guò)多孔介質(zhì)的過(guò)程，可以采用Darcy達(dá)西定律來(lái)描述：

將式（1）和式（2）代入式（3），即可得到完全填充區(qū)域內(nèi)的壓力分布計(jì)算式：

計(jì)算時(shí)，入口給定壓力：

流動(dòng)前鋒壓力等于出口抽膠壓力：

在壁面位置處：

計(jì)算中，當(dāng)計(jì)算了填充區(qū)域的壓力分布后，根據(jù)式（1）和（2）計(jì)算區(qū)域內(nèi)的速度分布。同時(shí)根據(jù)流動(dòng)前鋒上控制體為填充區(qū)域計(jì)算各個(gè)控制體充滿所需時(shí)間：

為了保證填充過(guò)程質(zhì)量守恒，取前鋒控制體填充滿所需時(shí)間中最小的時(shí)間tmin為下一時(shí)刻計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)，并由此更新前鋒控制體的填充度：

為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性及可靠性，設(shè)計(jì)方案2，正負(fù)方向連續(xù)重復(fù)測(cè)試10次獲取的數(shù)據(jù)，如圖7所示。

更新全充滿區(qū)域和前鋒后，再次求解填充區(qū)域的壓力分布，直到滿足停止填充條件。

根據(jù)上述流程進(jìn)行填充，每次只能有一個(gè)控制體完成充滿。為了減少計(jì)算步驟，可給定填充過(guò)載系數(shù) ，在得到最小時(shí)間eover后，更新前鋒控制體填充度時(shí)所用的時(shí)間步長(zhǎng)：

計(jì)算得到f1后，將所有大于1的f1全部歸1。

1.3幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文研究模型如圖1所示，平板模型的尺寸為100×200 mm2，模型的長(zhǎng)邊與Y軸重合，旋轉(zhuǎn)角度為60。。圖2為該模型的網(wǎng)格劃分情況。采用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1　繞Y軸旋轉(zhuǎn)60。的100×200 mm2的矩形平板

1.4邊界條件

為求解浸潤(rùn)區(qū)域的壓力場(chǎng)方程，需要結(jié)合如下的邊界條件：

（1）樹(shù)脂注膠口：壓力為大氣壓（0 MPa）。

（2）浸潤(rùn)前鋒與真空抽氣口相連：真空負(fù)壓-0.1 MPa。

如圖2所示，與Y軸重合邊界為抽氣口設(shè)置位置，其對(duì)邊為注膠口設(shè)置位置。

圖2　GEOMESH網(wǎng)格劃分結(jié)果圖及邊界條件

1.5物性參數(shù)

本文研究中所使用的物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　物性參數(shù)

2　結(jié)果與分析

2.1重力項(xiàng)對(duì)填充時(shí)間的影響

為研究重力對(duì)填充時(shí)間的影響，將圖1所示的矩形平板浸潤(rùn)長(zhǎng)度方向尺寸增加，得到大小分別為200×200 mm2、300×200 mm2、400×200 mm2的制件，其填充時(shí)間模擬結(jié)果如圖3所示，隨著制件浸潤(rùn)流動(dòng)方向尺寸的增大，充滿時(shí)間增大。此外，在其他模擬條件不變的情況下將上述幾何模型中重力影響忽略，重新計(jì)算填充時(shí)間。再將忽略重力影響和考慮重力影響的對(duì)應(yīng)結(jié)果相減所得時(shí)間差（充填時(shí)間減小量）作為重力影響的衡量指標(biāo)。由圖4可看出，重力作用使填充時(shí)間的減少量隨著制件浸潤(rùn)流動(dòng)方向尺寸的增大而增大。浸潤(rùn)流動(dòng)方向長(zhǎng)度有效的放大了重力的影響。

圖3　制件長(zhǎng)度增加充滿時(shí)間

圖4　制件長(zhǎng)度增加重力的影響

此外，研究中改變制件繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度以改變平板與水平面的夾角，進(jìn)一步分析了重力的影響。如圖5所示為100×200 mm2的矩形平板繞Y軸分別旋轉(zhuǎn)0。、30。、60。和90。后浸潤(rùn)所需的填充時(shí)間。由5圖可以看出，施加-Z方向的重力后，自平板的上邊界向下填充過(guò)程中，隨著平板繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度的增大，填充所用時(shí)間呈圖中所示的二次多項(xiàng)式形式減小。且隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，重力影響造成的浸潤(rùn)時(shí)間減少量按圖6所示的二次多項(xiàng)式形式增加。

2.2樹(shù)脂黏度對(duì)填充時(shí)間的影響

樹(shù)脂黏度對(duì)填充有重要影響，樹(shù)脂體系黏度降低可以減少樹(shù)脂在模腔中流動(dòng)的流動(dòng)阻力，進(jìn)而減小樹(shù)脂充填時(shí)間，也有利于樹(shù)脂更好的浸潤(rùn)纖維增強(qiáng)材料。樹(shù)脂黏度太大則會(huì)形成較大的流動(dòng)阻力，不僅會(huì)使樹(shù)脂充模時(shí)間增加，而且還會(huì)造成樹(shù)脂不能很好地浸潤(rùn)增強(qiáng)材料，導(dǎo)致空隙、干斑等缺陷的產(chǎn)生。RTM工藝對(duì)樹(shù)脂黏度要求比較嚴(yán)格，要求樹(shù)脂基黏度范圍為0.1~1 Pa.s，一般為0.12~0.5 Pa.s[6]。

本模擬樹(shù)脂黏度分別設(shè)定為0.1 Pa.s、0.2 Pa.s、0.3Pa.s、0.4Pa.s、0.5Pa.s、0.6Pa.s。在保持其他參數(shù)不變的情況下針對(duì)圖中所示模型研究物料黏度的影響。模擬結(jié)果如下圖7所示。由圖可見(jiàn)，填充時(shí)間隨著樹(shù)脂黏度的增大而增大，黏度越小填充時(shí)間越短。且隨著黏度的增加充滿時(shí)間按照?qǐng)D8所示的線性變化規(guī)律增加。

圖5　不同角度下充滿時(shí)間

圖6　不同角度下充滿時(shí)間變化量

圖7　不同黏度下的填充時(shí)間

圖8　黏度對(duì)填充時(shí)間的影響

本節(jié)基于平板模型所得到的黏度對(duì)填充時(shí)間的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[7]中針對(duì)乙烯基樹(shù)脂體系通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定得出的乙烯樹(shù)脂體系黏度與時(shí)間的關(guān)系具有一致性。

2.3滲透率的影響

滲透率可以用來(lái)表征樹(shù)脂與多孔介質(zhì)浸潤(rùn)的難易程度，是纖維增強(qiáng)材料的基本性能之一，對(duì)浸潤(rùn)效率和制件設(shè)計(jì)有重要影響。參考文獻(xiàn)[8]中滲透率的取值范圍，本文模擬中滲透率值分別取值為4.27×10-10/m2、3.48×10-10/m2、2.61×10-10/m2、1.73×10-10/m2、0.91×10-10/m2。由圖9可以看出，滲透率越大，填充所需的時(shí)間越短。且隨著滲透率增大充滿時(shí)間按如圖10所示的冪函數(shù)規(guī)律減小。

圖9　滲透率對(duì)填充時(shí)間的影響

圖10　不同滲透率下的充滿時(shí)間

3　結(jié)論

本文基于平板模型研究了浸潤(rùn)過(guò)程中重力及物性對(duì)填充時(shí)間的影響規(guī)律。在重力作用的影響研究中，考慮了平板沿浸潤(rùn)流動(dòng)方向的長(zhǎng)度尺寸及平板與水平面夾角大小兩個(gè)因素，研究表明這兩個(gè)因素的增大均有效放大了重力作用的效果。可見(jiàn)RTM工藝中優(yōu)化填充效率時(shí)重力作用是相當(dāng)重要的因素。此外還對(duì)物料黏度及滲透率的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明黏度對(duì)時(shí)間的影響呈線性變化規(guī)律，而滲透率的增大充滿時(shí)間呈冪函數(shù)規(guī)律減小。

（R-03）

巴斯夫推出汽車內(nèi)飾聚氨酯組合料的新服務(wù)

巴斯夫2016年9月推出了一項(xiàng)針對(duì)汽車內(nèi)飾聚氨酯組合料的新服務(wù)：升級(jí)版巴斯夫Ultrasim模擬工具現(xiàn)在已經(jīng)能夠精確模擬開(kāi)模與合模的聚氨酯組合料發(fā)泡過(guò)程。從采用ElastoflexrE半硬質(zhì)組合料制造的儀表板來(lái)看，這項(xiàng)服務(wù)極為成功。國(guó)際汽車供應(yīng)商延鋒汽車飾件系統(tǒng)采用這一虛擬工藝設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)寶馬X1等車型的儀表板。巴斯夫根據(jù)每個(gè)儀表盤的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型以及Ultrasim中關(guān)于半硬質(zhì)組合料的材料描述，開(kāi)發(fā)了一種發(fā)泡模擬技術(shù)，使客戶能夠在實(shí)際開(kāi)發(fā)模具之前便發(fā)現(xiàn)部件可能存在的設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題。這樣就縮短了ElastoflexE儀表板的開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快了生產(chǎn)流程，降低了成本。

巴斯夫日前推出了一項(xiàng)針對(duì)汽車內(nèi)飾聚氨酯組合料的新服務(wù)：升級(jí)版巴斯夫Ultrasim模擬工具現(xiàn)在已經(jīng)能夠精確模擬開(kāi)模與合模的聚氨酯組合料發(fā)泡過(guò)程。從采用ElastoflexE半硬質(zhì)組合料制造的儀表板來(lái)看，這項(xiàng)服務(wù)極為成功。國(guó)際汽車供應(yīng)商延鋒汽車飾件系統(tǒng)采用這一虛擬工藝設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)寶馬X1等車型的儀表板。巴斯夫根據(jù)每個(gè)儀表盤的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型以及Ultrasim中關(guān)于半硬質(zhì)組合料的材料描述，開(kāi)發(fā)了一種發(fā)泡模擬技術(shù)，使客戶能夠在實(shí)際開(kāi)發(fā)模具之前便發(fā)現(xiàn)部件可能存在的設(shè)計(jì)和制造問(wèn)題。這樣就縮短了ElastoflexE儀表板的開(kāi)發(fā)時(shí)間，加快了生產(chǎn)流程，降低了成本。

儀表板是安全攸關(guān)的大型復(fù)雜部件，每款車型的儀表板都必須通過(guò)汽車制造商的批準(zhǔn)。在制造過(guò)程中，發(fā)泡工藝直接關(guān)系到載體、表皮、聚氨酯泡沫和相應(yīng)的安全氣囊設(shè)計(jì)能否形成一個(gè)有機(jī)整體，因此其作用十分關(guān)鍵。

摘編自“中國(guó)聚合物網(wǎng)”

Numerical simulation of infi ltration molding process of plate type based thermosetting resin

TQ323

1009-797X(2016)20-0052-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.016

張秀娟（1989-），女，北京化工大學(xué)碩士研究生，主要從事樹(shù)脂浸潤(rùn)的研究。

2016-09-12