圓環夾層復合材料VARI樹脂充模模擬研究

摘 要 夾層結構復合材料VARI成型過程中樹脂流動較為復雜，容易產生干斑等缺陷。傳統的試錯法存在周期長、成本高等缺點，借助有限元軟件研究其樹脂流動過程是非常有必要的。本文采用有限元控制體積法模擬圓環型夾層結構復合材料的充模過程，計算出增強材料的滲透率，設計出三種充模方案。結果表明，沿模型外圈鋪設注膠管道，內圈鋪設出膠管道的充模方案，充模時間為4500s，是最合適的充模方案，與試驗結果相吻合，并對其平拉、平拉、側壓、剪切、剝離、彎曲性能進行了測試。

關鍵詞 夾層結構；充模過程；滲透率；有限元模擬

Simulation Study of VARI Resin Filling for Circular Sandwich Composite

CHEN Si1， WU Hailiang1，2， YANG Zhong2， WANG Weili3， LOU Xiaojie3， WU Xiaoqing1

（1.Tianjin Polytechnic College of Textile Science and Engineering， Tianjin 300387;2.Dongfang Electric （Tianjin） Wind Blade Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300387；3.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The resin flow during VARI molding of sandwich structure composites is more complicated and prone to defects such as dry spots. The traditional trial-and-error method has the disadvantages of long cycle time and high cost， and it is necessary to study the resin flow process with the help of finite element software. In this paper， we used the finite element control volume method to simulate the mold filling process of the circular sandwich structure composite material， calculated the permeability of the reinforcement material， and designed three mold filling schemes， the results show that the mold filling time of 4500s is the most suitable mold filling scheme， which is consistent with the test results. The test was conducted on the performance of flat pulling， flat tensioning， lateral tensioning， shearing， peeling， and bending.

KEYWORDS sandwich construction; mold filling process; permeability; finite element modelling

1 引言

泡沫夾層結構復合材料因輕質高強、剛性好等優點，廣泛適用于航空航天、船舶、風電等領域。典型的泡沫夾層復合材料是由兩個薄而硬的樹脂基復合材料板作為面板，厚而輕的泡沫作為芯材，組成的類似于三明治的一種夾層結構。目前對泡沫夾層復合材料的研究主要集中在其力學性能和材料上，Stanley和Adams等提出縫合泡沫夾層結構復合材料的概念，縫合過后的復合材料板彎曲性能、面外拉伸強度、芯材剪切強度、側壓強度和沖擊后的壓縮強度等均有所提高［1］。Long［2］等研究發現Z-pin增強泡沫夾層結構復合料的彎曲性能顯著提高。Wang［3］等人提出對泡沫芯材進行打孔處理，借助充模過程中孔中所填充的樹脂來提高其性能，發現隨著孔密度的增加，其彎曲、壓縮和剪切性能都有所改善。Halimi［4］等研究了六種不同的開孔形式對其泡沫夾層結構復合材料性能的影響，發現彎曲臨界載荷和屈服吸收能量最大增幅為38%、100%，同時其脫粘臨界載荷和斷裂韌性也有所提高。Truxel［5］等實驗發現芯材上的凹槽處理能阻止裂紋的擴展。

VARI工藝操作簡單，是典型的低壓成型方法，廣泛的應用于泡沫夾層復合材料的制造，有效避免了泡沫的塌陷。由于泡沫為閉孔結構，滲透性能極差，成型過程中易出現干斑等缺陷，降低復合材料的性能，傳統試錯法存在周期長、實驗成本高等缺點，本文主要研究圓環泡沫夾層結構復合材料的VARI充模過程，設計合適的充模方案，利用有限元仿真法分析流動過程，優化工藝參數，為實際生產提供指導作用。

2 理論

VARI的充模過程可視為不可壓縮流體的準穩態流動過程，分布介質和纖維增強體均視為多孔材料，流動的雷諾數很小［6］，用達西定律來描述樹脂的流動過程如公式（1）所示。

3 夾層結構復合材料VARI充模模擬

3.1 幾何模型的建立

建立圓環型泡沫夾層結構建模型，如圖1所示。

3.2 纖維材料滲透率

雙軸向經編織物作為其面板增強材料，采用單胞法計算其滲透率，基于其結構特征進行如下建模假設：

（1）忽略捆綁紗線在樹脂流動過程中的作用。

（2）紗線包括方向相同的N根、半徑為r且均勻分布的玻璃纖維單絲組成的纖維束。

（3）外力作用下，纖維束截面形狀由橢圓形變為跑道形并始終保持跑道形的形態。

（4）相同排列方向的纖維束上下對齊，忽略其纖維束滑移的影響。

建立單胞模型如圖2所示，其中W、B、H分別為纖維束間距、寬、高，分別為0.170 mm、0.234 mm、1.092 mm，纖維體積含量為0.568。

根據所計算滲透方向設置入口面和出口面，其余對應面施加周期性邊界條件，使其壓強和流速分布相同，消除壓力差的影響。單胞X、Y、Z三個方向的速度云圖及壓力云圖如圖3和圖4所示，對出口面樹脂流速進行面積分，帶入達西定律得到滲透率值。

經處理后泡沫上存在的槽、洞有一定的導流作用，影響其滲透性能。

泊肅葉方程主要描述流體在圓形長管中的流動規律，同時滿足達西定律，結合兩者得到孔滲透率的計算公式如公式（10）和（11）所示。

3.3 充模方案設計

設計三種充模方案，（a）沿內圈鋪設注膠管道，外圈鋪設出膠管道；（b）將注膠管道鋪放在結構件外圈，內圈鋪設出膠管道；（c）沿半徑方向呈90°各鋪設四條注膠管道和四條出膠管道，如圖5所示。

3.4 充模結果與分析

整體充模時間云圖如圖6所示，表1列出了三種方案充模時間，樹脂流動前沿如圖7所示。結構件具有對稱性，選取其四分之一分析研究。

方案（a）的充模時間為5300s，樹脂首先浸潤上層面板，通過孔、槽到達下層面板并由內向外擴散，其中由于孔、槽滲透率較高，其樹脂流速相比面板快的多，圖7（a）展示了4158 s時模型直徑2990 mm處的樹脂流動前沿，此時樹脂已經到達最外圈，直徑為10 mm的圓環浸潤時花費了1142 s，這是由于隨著直徑的增大，樹脂被分散，流速下降；方案（b）整體充模時間為4500 s，樹脂從外圈向內流動，隨著直徑的減小，樹脂聚集，整體浸潤良好。方案（c）整體浸潤時間為5470 s，樹脂呈扇形從兩邊向中間流動，但由于槽、孔的存在，樹脂流動情況較為復雜，圖7（b）為5072 s時模型直徑1550-1710 mm處的樹脂流動前沿，有包絡現象的產生，最終由于樹脂子流未完全重合而出現干斑缺陷。

從充模時間來看，方案（b）充模時間最短，三種充模方案中影響其充模時間的主要因素為注膠口面積大小，方案（a）注膠口面積較小，開始階段樹脂量少，導致樹脂流速較慢；方案（b）注膠口面積大，顯著增加了樹脂流速；方案（c）注膠口面積最小，其充模時間最長。從充模質量來看，方案（a）外圈需要花費大量時間浸潤，易在外圈處形成干斑；方案（c）中間部分出現包絡現象，易出現浸潤不充分的現象；方案（b）整體樹脂流動情況良好。

綜合來看，方案（b）的充模質量及充模時間均占優勢，且流道布置操作簡單，為最優充模方案。

4 實驗驗證

4.1 復合材料制備

采用VARI工藝制備圓環形結構件，主要制備流程為涂脫模劑、鋪放輔助材料及增強材料、排布導流管、密封真空袋、抽真空、保壓、注膠、固化成型、脫模。

環形結構件制備過程中的樹脂流動圖如圖8所示，其實際充模完成時間為1.32 h，與方案二的模擬結果相差5.3%，說明模擬結果較為精確。

4.2 性能測試

對其平拉、平壓、側壓、剪切、剝離、彎曲進行測試，根據測試標準裁剪試片。

平拉性能：參照《GB/T 1452-2005 夾層結構平拉強度實驗方法》，試樣尺寸為60 mm×60 mm，加載速率為1 mm/min。

平壓性能：參照《GB/T 1453-2005 夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》，試樣尺寸為60 mm×60 mm，加載速率為1 mm/min。

側壓性能：參照《GB/T 1454-2005 夾層結構側壓性能測試方法》，試樣尺寸為160mm×60 mm，加載速率為1 mm/min。

剪切性能：參照《GB/T 1455-2005 夾層結構或芯子剪切性能試驗方法》，試樣尺寸為200 mm×60 mm，加載速率為1 mm/min。

剝離性能：參照《GB/T 1457-2005 夾層結構滾筒剝離強度實驗方法》，試樣尺寸為300 mm×60 mm，加載速率為20 mm/min。

彎曲性能：參照《GB/T 1456-2005 夾層結構彎曲性能性能試驗方法》，試樣尺寸為240 mm×60 mm，加載速率為0.5 mm/min。

4.3 結果與討論

測得的平拉載荷-位移曲線如圖9所示，平拉強度為2.53 MPa，與未經處理的泡沫夾層復合材料的平拉強度1.49 MPa［9］相比提高了69.80%，說明開槽打孔的處理提高了其平拉性能，由于溝槽中樹脂柱起到了很好的粘接作用，使泡沫夾層結構復合材料的縱向性能增加。

平壓載荷-位移曲線如圖10所示，其平壓載荷為8.684 KN，平壓強度為2.44 MPa，相比未經處理的泡沫夾層復合材料的平壓載荷2323 N ［9］相比提高了274%，平壓載荷作用下，泡沫孔中的樹脂柱為主要承力物，顯著提高了泡沫夾層復合材料的抗平壓能力。

側壓載荷-位移曲線如圖11所示，側壓強度為12.86 MPa，相比未經處理的泡沫夾層復合材料［9］提高了55.30%，試樣出現面板與芯材分離的現象，分離時斷裂痕跡不平整且分離從泡沫根部開始，說明側壓作用時，孔中的樹脂柱為主要承力物，樹脂柱能夠阻擋裂紋擴展，溝槽中樹脂柱的存在增大了芯材與面板的粘接面積，對提高其側壓性能也有一定的幫助。

剪切載荷-位移曲線如圖12所示，其剪切強度為1.16 MPa，相比文獻［9］中未經處理的泡沫夾層結構復合材料提高了18.37%。剪切作用下，有明顯的裂縫的產生以及面板與芯材分離的現象，裂縫處出現了轉折現象，說明泡沫溝槽中的樹脂柱有防止裂紋擴散的作用，且由于樹脂柱的存在，有效的擴大了面板與芯材的膠結面積，有效的提高了泡沫夾層結構復合材料的層間剪切性能。

剝離載荷-位移曲線如圖13所示，其剝離載荷為1.69 kN，相比文獻［10］中所測得的未經處理的泡沫夾層結構復合材料剝離性能提高了128.07%。剝離載荷作用下，泡沫槽和孔中的樹脂柱為主要承力物，泡沫中的樹脂柱發生斷裂。

彎曲載荷-位移曲線如圖14所示，其彎曲載荷為2.225 kN，相比文獻［9］中未經處理的泡沫夾層結構復合材料提高了85.42%。彎曲試驗后，面板與芯材部分出現分離以及芯材部分斷裂的現象，彎曲載荷作用下，上層面板為主要的承力部分，主要受到壓縮作用，下層面板主要承受拉伸作用，芯材部分則主要承受剪切作用，從其破壞形式可以看出，芯材部分的承力能力最弱，同時觀察芯材部分的斷裂形式可以看出樹脂柱可以有效防止裂紋的擴散。

5 結語

以圓環形泡沫夾層結構件為研究對象，對VARI成型工藝中不同充模方案進行模擬和試驗研究，確定合適的充模方案，并對其機械性能進行測試，得出以下結論：

（1）采用單胞法計算雙軸向經編織物面內X、Y方向滲透為4.2×10-12m2、Z方向1.7×10-13m2，推算出孔、槽滲透率計算公式，2 mm直徑孔滲透率為5.0×10-7m2、截面積為2×2 mm2槽滲透率為3.3×10-7m2。

（2）圓環夾層復合材料采用外圈注膠內圈出膠的充模方式，充模時間為4500 s、浸潤情況良好，與試驗結果吻合。

（3）外力作用下，圓環夾層復合材料槽、孔中的樹脂柱為主要承力物，顯著提高了其機械性能，其平拉、平壓、側壓、剪切、剝離、彎曲性能相比未處理泡沫分別提升了69.8%、274%、55.3%、18.37%、128.07%和85.42%。

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通訊作者：吳曉青，女，博士，教授。研究方向為紡織復合材料。E-mail：362791945@qq.com