計(jì)算機(jī)仿真輔助RTM工藝模具設(shè)計(jì)

司超超+凡玉

摘 要：運(yùn)用RTM工藝模具的設(shè)計(jì)理論及經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合尾邊條結(jié)構(gòu)尺寸公差要求，設(shè)計(jì)出RTM工藝模具基本結(jié)構(gòu)尺寸，并以CATIA為工具生成模具的三維模型，進(jìn)而建立模具的有限元模型，運(yùn)用MSC.Patran/Nastran軟件分析出RTM工藝模具的各向位移分布，為進(jìn)一步模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：RTM；尾邊條；模具；有限元

引言

操縱面的尾邊條結(jié)構(gòu)多為長(zhǎng)條結(jié)構(gòu)，寬度較小，且截面形狀復(fù)雜，展向零件尺寸厚度變化大，如采用常規(guī)熱壓罐工藝很難保證尾邊條制件內(nèi)部和表面質(zhì)量。RTM（Resin Transfer Molding，樹脂傳遞模塑）是目前液體復(fù)合材料成型工藝中發(fā)展得比較迅速的一種先進(jìn)成型工藝，RTM成型的制件具有表面質(zhì)量?jī)?yōu)、精度高、孔隙率低等優(yōu)點(diǎn)，并且工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、揮發(fā)物少、制造成本較低[1]，因而尾邊條成型工藝采用RTM成型技術(shù)。

李柏松[2]研究了纖維增強(qiáng)材料的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)及樹脂液流動(dòng)方式影響制件成型質(zhì)量。邱桂杰[3]研究了溫度和壓力對(duì)浸潤(rùn)性的影響，并得出在較低的注射壓力和較高的成型溫度下，纖維能夠得到良好的浸潤(rùn)和粘結(jié)，成型復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度比較高。王 [4]提出計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)融入到RTM模具的設(shè)計(jì)工作中能夠提高設(shè)計(jì)效率和節(jié)約時(shí)間成本。作者通過運(yùn)用CATIA軟件建立模具三維模型，運(yùn)用MSC.Patran/Nastran軟件建立有限元模型，完成邊界和熱載荷約束，計(jì)算分析模具模腔各向的位移分布，評(píng)估模具設(shè)計(jì)方案是否合理。

1 尾邊條結(jié)構(gòu)

運(yùn)用CATIA軟件建立尾邊條的三維模型和模具三維模型，如圖1所示。依據(jù)尾邊條的結(jié)構(gòu)和功能性要求，尾邊條基體選用RTM6-2環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)材料選用G0926碳纖維，依據(jù)等溫度粘度曲線可知，樹脂粘度隨著溫度的升高迅速下降，120℃等溫時(shí)樹脂粘度曲線變化平緩，最為適合樹脂固化。

2 模具設(shè)計(jì)

尾邊條整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但截面尺寸漸變，長(zhǎng)度為4135mm，導(dǎo)致模具尺寸較大且為細(xì)長(zhǎng)型。采用45#鋼材制備尾邊條RTM模具，其熱膨脹系數(shù)為11.3×10-6/℃，在180℃下4m長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的熱膨脹量大約為7.2mm；而復(fù)合材料的熱脹冷縮效應(yīng)較小，當(dāng)溫度降低后鋼模由于其熱脹冷縮效應(yīng)可恢復(fù)其原來長(zhǎng)度，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在降溫后無法恢復(fù)到原來尺寸，則會(huì)導(dǎo)致制備的結(jié)構(gòu)件比所要求的結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)度上增長(zhǎng)約7.2mm，則需要從結(jié)構(gòu)件兩端分別切割掉約3.6mm。由于截面尺寸漸變，結(jié)構(gòu)件在模具中受到模具的熱脹冷縮效應(yīng)，長(zhǎng)度變長(zhǎng)，對(duì)兩端進(jìn)行切割出實(shí)際結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)度，則要確定結(jié)構(gòu)件兩端截面尺寸變化量，需對(duì)其進(jìn)行尺寸大小分析。

運(yùn)用MSC.Patran/Nastran軟件建立模具的有限元模型（如圖2所示），完成邊界約束和熱載荷施加定義，計(jì)算分析模具模腔貼模面變形情況。

在180℃下，有Nastran計(jì)算結(jié)果可知，鋼模空腔在長(zhǎng)度方向上由于鋼的熱脹冷縮效應(yīng)伸長(zhǎng)了5.66mm，尾邊條的最大厚度為12.5mm，寬度為55mm，厚度與寬度分別是長(zhǎng)度的3‰、13‰，因此尾邊條厚度與寬度方向上可以忽略熱脹冷縮效應(yīng)帶來的尺寸變化。采用激光跟蹤儀所用的POLYWorks軟件把尾邊條數(shù)模放置到熱變形的模腔中測(cè)量其貼模間隙，以此來分析在鋼模中制備的零件與零件數(shù)模截面尺寸的變化，分析結(jié)果為：點(diǎn)數(shù)=11562，平均偏差=0.000，標(biāo)準(zhǔn)偏差=0.005，公差外曲面=0.071%。

零件尺寸平均偏差為零，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5%，說明貼模間隙很小，且均勻分布，則認(rèn)為可以忽略由于鋼的熱脹冷縮效應(yīng)帶來截面尺寸的變化，即可以在鋼模中制備出零件后在兩端進(jìn)行機(jī)加切割。結(jié)果表明：模具材料選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，模具所制得的尾邊條制件表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求。

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用MSC.Patran/Nastran軟件對(duì)RTM成型模具進(jìn)行有限元建模和分析，可以直觀及全面地了解鋼?？涨辉诟飨蛏嫌捎阡摰臒崦浝淇s效應(yīng)伸長(zhǎng)量，從而得出尾邊條成型時(shí)所需模腔尺寸和尾邊條成型后的尺寸，并借助激光跟蹤儀所用的POLYWorks軟件驗(yàn)證了尾邊條貼模間隙極小，表面質(zhì)量良好。顯然，RTM成型模具設(shè)計(jì)方案和材料選用均較為合理。

參考文獻(xiàn)

[1]Soutis C. Carbon fiber reinforced plastics in aircraft construction[J].Materials Science and Engineering：A，2005，412（1-2）：171-176.

[2]李柏松，王宇光，王繼輝.RTM缺陷形成機(jī)理的研宄[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（24）：280-282.

[3]邱桂杰.樹脂傳遞模塑工藝中的參數(shù)對(duì)樹脂-纖維界面的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2002（2）：24-27.

[4]王 .計(jì)算機(jī)仿真輔助復(fù)合材料RTM工藝模具設(shè)計(jì)[J].航空制造技術(shù)，2011（10）：45-47.