天線面蒙皮真空導入整體成型充模仿真及優化

張艦

摘 要：真空導入屬于一種被應用在復合材料制作過程中的技術，該技術的主要功能是去除磨具和纖維材料之間的空氣，進而提高樹脂型材料的流動能力，是復合材料質量的基本保障。為此，文章分析了天線面蒙皮真空導入的仿真方式及其優化方式，并將真空導入技術應用到了實際成型過程中。

關鍵詞：天線面蒙皮；真空導入；整體成型；充模仿真

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0016-02

引言

纖維型復合材料具有重量輕、強度高、膨脹系數較低等特點，因此，經常被應用在天線面板制備過程中，而如何實現薄壁構件的整體成型，也成為了復合材料發展和應用的一項難題。為此，研究人員應用了以計算機為載體的仿真模擬技術，并優化了流道設計方案，旨在改善復合材料浸潤的均勻性。

1 流動仿真理論模型

計算機仿真模擬技術能夠實現對真空導入過程的全方位模擬，并應用相應技術實現付流道設計方案的優化，進一步改善樹脂在纖維材料中的浸泡效率和深入程度，改善復合型材料的均勻程度。當下，已經有專業技術人員就樹脂的滲流過程進行了貼體坐標和有限分差法研究，并建立了樹脂滲流量計算方程；還有技術人員針對現行四種不同類型的天線蒙皮導入方式進行了仿真模擬實驗，確定了最佳的流道布置方式和分布設置方案，本文應用的便是四種導入方式的實驗；還有技術人員應用RTM仿真技術對風葉機RTM充模過程進行三維模擬，形成了專業的工藝加工方案，將其運用在實際生產過程中取得了優良效果。

真空導入樹脂的過程和纖維材料的固化過程，都屬于物質的非等溫滲流過程，因此，用數學模型可以描繪出運動能量的守恒方程，工作人員可以在此基礎上解釋物質的存在形式和運動形式。在本文的實驗中，為了減輕計算難度，忽略了在加工工藝應用過程中可能出現的邊緣現象，因此，在真空導入研究實驗中，需要做出以下假設：纖維具有良好的剛性，在樹脂中浸泡時不會出現變形現象；樹脂和纖維在實驗過程中不會發生密度上的變化；樹脂流動時產生的雷諾數較小，可以忽略慣性作用的影響；被樹脂浸潤的纖維結構和沒有被浸潤過的纖維結構，融合在一起時會形成明顯的分界面，此分界面之外沒有樹脂流體存在，分界面之內的樹脂流體達到了飽和[1]。

基于上述假設下，真空導入仿真模擬模型可以表示為：=-，其中Q表示面積式樣中的體積流量，單位是m3/s；K表示的是纖維滲透率的張量，單位是m2；A表示的是試件的橫截面面積，單位是m2；△P表示的是固定流動長度（L）額壓強值，單位是Pa；？濁表示的是流體的實際黏度，單位是Pa/s。

在真空導入仿真實驗中，最關鍵的是確定物質和流體的運送邊線，即樹脂流動過程的前沿位置，因此，操作人員需要應用相關技術對模具的流動前沿進行監控，本次試驗應用的是有限元控制體積法。通過型腔內壓力場的求解方程，操作人員可以分別計算出注射點、內點、前沿點的內壓力場，為真空導入設備的安裝和設置提供了數據支持，如注射口和排氣口等，進而確保了仿真模擬實驗和真空導入工藝的優化設計的規范性和合理性[2]。

2 天線面蒙皮仿真優化設計

2.1 流道設計和模擬

以真空導入技術為依據可以劃分出四種不同類型的天線蒙皮導入方式，現應用Pro/e三維建模軟件和RYM-Worx分析軟件對反射天線面蒙皮進行建模實驗和仿真模擬。現假設天線面蒙皮的投影為橢圓形，最長投像軸的長度為18米，最短投像軸的長度為15米，最高投射點的高度為2米，并在仿真軟件中將其劃分為66000個節點，125000個單元數。在此次仿真模擬過程中，真空導入技術的工業參數如下：預成體的滲透率為8*10-10m2，此時纖維物質在總體試驗總質量的含量為60%，樹脂的粘度固定為220Pa/s，真空導入仿真模擬實驗所承受的真空壓力為0.095Pa。現對上文中提到的四種導流方式進行統一實驗，總結的實驗結果如下文所示。

仿真模擬實驗結果證明，一號導流方式的流道間距較大，導致流體的流動速度過于緩慢，延長了沖模時間，但是如果在實驗過程中，就流道方式進行改善，縮短流道間距，則會增加注膠口的數量，給流道的安排和設計增加難度，造成運行設備不能合理分配的問題。另外，此導流方式在實際應用過程中及其容易出現邊緣效應，導致操作人員無法有效控制真空導入工藝的應用過程[3]。

二號導流方式的流道間距較小，且流道的長度有所增加，減少了沖模時間，但是受到注膠口分布原則的影響，為了確保流道在一圈內實現完全浸泡，需要在實驗開始前浸潤纖維布，并逐漸增加流道圈內的注膠口數量，并在流道圈內設置抽氣口。在第一圈流道內部需要設置的注膠口數量較多，其中第七圈需要設置12個注膠口，在整體仿真模擬實驗中共需要設置46個注膠口。因此，在二號導流方式中涉及到了較多的注膠口和抽氣口安裝，操作人員需要嚴格遵循安裝規范和順序，增加了施工工藝的風險。

三號導流方式減少了注膠口和抽氣口的安裝數量，對流道進行了均勻的布置，但是在真空導入模擬實驗中仍然發現了操作風險，即當樹脂的流動前沿呈現“U”型時，如果前沿的深度較深，則會出現注膠口控制不合理和流管錯位等問題，導致“U”型結構的兩側先被填充完，容易形成聚氣，進而造成天線面蒙皮的干癟和缺陷[4]。

四號導流方式樹脂流動前沿呈現“V”型，彌補了“U”型流動前沿的缺陷，并且整體流道圈內只能設置一個注膠口，規避了施工工藝帶來的風險。在上述的仿真模擬實驗中，可以看出四號導流方式的流動效率最高，樹脂流動的質量比較均勻，因此，最適合應用在天線面蒙皮設計中。

2.2 真空導入工藝的優化設計

上述仿真模擬實驗中，四號導流方式為：將48根導流管按照安裝流程規安裝好，設置一個中心點，將導流管按照放射線形狀排列，應用導管的長度在6.9米-8.85米之間，流道的總體長度可以達到380米，相鄰流道的間距為0.95米-1.2米，流道圈內有一個注膠口和一排抽氣口[5]。endprint

為了方便仿真模擬實驗的進行，在確保沖模效率和質量的前提下，現對四號導流方式進行了如下改造：將一個注膠口改造為8個注膠口圍繞的環形結構，讓6根導流管共用一個注膠口；在環形結構中增加一個抽氣口。實驗結果證明，此次改造在提高真空技術應用效率上有較大的作用，另外，應用該導流方式順利完成了15m*18m面積天線面蒙皮的制作。

現對和改造后的導流方式在實驗和實際應用過程中的具體參數進行進一步對比和說明，在仿真模擬實驗中，該導流方式的沖模時間為90分鐘，但是在實際應用過程中的沖模時間為100分鐘。經過分析和總結后，可以得出影響沖模時間變化的因素如下：在仿真模擬實驗中，樹脂的黏度不變，在實際應用過程中，樹脂的黏度會在時間的影響下出現一定程度的變化；在仿真模擬實驗中，預成體的滲透率是理想值，在實際應用過程中，復合材料在鋪設時會產生不同程度的變形。

總體而言，在流道仿真模擬實驗和真空導入工藝的優化設計過程中，能夠總結出適合應用在天線面蒙皮制作中的理論和技術，仿真和優化模擬在實際工藝品成型中具有指導作用，能夠有效避免多次實驗帶來的成本支出，大幅度降低了真空導入技術的應用風險，提高了天線面蒙皮的成型效率和質量，并且在實際應用過程中取得了顯著的效果[6]。

3 天線面蒙皮真空導入結論

通過RYM-Worx分析軟件完成了對大口徑天線面蒙皮的仿真模擬實驗，在結合四種導流方式的沖模效率和質量后，選擇了四號導流方式，并結合實際的工藝流程對真空導入技術應用方式和流道設計方式進行了進一步的優化，隨后應用改造后的天線面蒙皮進行工藝成型，最后應用的沖模時間為100分鐘，并制造出了比較完善的天線面蒙皮。

實驗結果和應用效益證明，將仿真模擬技術和真空導入技術應用在天線面蒙皮制作中，能夠提高樹脂在纖維材料中浸泡均勻性，有效的降低了施工工藝的施工成本和工藝風險，在提高產品性能方面發揮了比較重要的作用，為大型薄壁構件的建造提供了技術支持和理論依據。

4 結束語

相對于傳統的復合材料成型技術來說，真空導入技術比較適合影響在成型面積較大的材料制作過程中，高效率的流道設計能夠讓纖維材料被樹脂充分浸泡，減少天線面蒙皮上的孔隙，進而提高天線面板結構的質量。因此，技術人員需要加大對真空導入整體成型技術的研究力度，結合實際的天線面蒙皮需求，運用先進的仿真模擬和優化方式，對真空導入技術進行事先的模擬應用。

參考文獻：

[1]夏振猛.天線面支撐結構張力特性分析與優化設計[D].哈爾濱工業大學，2013.

[2]游斌弟，趙志剛，趙陽.柔性天線面對漂浮基星載天線擾動分析及抑制[J].航空學報，2014，31（12）：2348-2356.

[3]莫鏑.基于COSO框架的A建設項目全面風險管理研究[D].電子科技大學，2014.

[4]水小妮.建筑工程承發包價格發展軌跡研究[D].西安建筑科技大學，2017.

[5]陸軍，陳協云，葉龍根.平面陣列天線面精度測量值的分析計算方法[J].現代電子，2015（04）：13-16.

[6]鄭勇，錢志瀚.計算空間VLBI天線面有效截面積的數學模型[J].中國科學院上海天文臺年刊，2014（00）：140-144.endprint