數(shù)字化仿真技術(shù)在復(fù)合材料成型工藝中的應(yīng)用

數(shù)字化仿真技術(shù)在復(fù)合材料成型工藝中的應(yīng)用

0數(shù)字化仿真技術(shù)研發(fā)材料合成工藝的關(guān)鍵是在滿足產(chǎn)品形狀和表面質(zhì)量的前提下，提高材料可以按照規(guī)定方向均勻配置，從而減少其性能浪費(fèi)。良好的基質(zhì)和增強(qiáng)材料的結(jié)合，使基質(zhì)樹脂完全硬化，消除發(fā)芽氣體，有效減少間隙間隙率。傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝復(fù)雜、試驗(yàn)周期長、制造成本高,產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,國內(nèi)外眾多企業(yè)競相采用數(shù)字化仿真技術(shù)對復(fù)合材料成型工藝進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和制造,從而大大縮短試驗(yàn)周期、降低制造成本和提高產(chǎn)品性能。本文采用PAM仿真軟件對RTM沖模過程和熱壓罐固化工藝進(jìn)行仿真研究,闡述了數(shù)字化仿真技術(shù)在復(fù)合材料構(gòu)件成型工藝中的應(yīng)用對復(fù)合材料成型過程的優(yōu)化作用。1樹脂注入的耦合復(fù)合材料成型工藝的數(shù)值模擬相當(dāng)復(fù)雜,其求解區(qū)域隨著樹脂的注入不斷發(fā)生變化,壓力場、溫度場及固化度場互相耦合。復(fù)合材料工藝模擬涉及的內(nèi)容廣泛,包括的模型較多,大多集中在樹脂流動(dòng)控制方程和樹脂固化動(dòng)力學(xué)模型上。1.1多孔介質(zhì)管滲流方程在RTM成型過程中,充模和纖維浸漬同步進(jìn)行,如何控制這兩個(gè)相互競爭的流動(dòng)是復(fù)合材料液體成型工藝的首要環(huán)節(jié)。通常可認(rèn)為樹脂在纖維中的滲透過程是流體(樹脂)在多孔介質(zhì)(纖維)中的滲透過程。選擇滲透率主軸方向?yàn)樽鴺?biāo)系方向,可用Darcy定律可表示為:式中,kx、ky為纖維主軸方向滲透率,u、v為樹脂流動(dòng)速率,p為樹脂壓力,μ為樹脂黏度。假定預(yù)先放置在模具中的預(yù)制體是固定的,其慣性效應(yīng)可以忽略不計(jì),樹脂為不可壓縮流體,根據(jù)不可壓縮流體連續(xù)性方程得到:將(1)式代入(2)式,得到樹脂流動(dòng)控制方程。由于樹脂流動(dòng)前沿表面張力和主要的黏滯力相比,可以忽略不計(jì)。(3)式的邊界條件可表述為:1.2固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程描述復(fù)合材料的熱壓罐固化過程相當(dāng)復(fù)雜,成型中不僅涉及力、熱和化學(xué)反應(yīng)的耦合效應(yīng),還涉及固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容,該過程是在罐內(nèi)進(jìn)行的,很難監(jiān)控。為了便于實(shí)時(shí)模擬分析,假定固化階段樹脂基本不發(fā)生流動(dòng),忽略對流傳熱影響,可將固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程表述為如下兩種形式:dadt=Kf(a)(4)G(a)=Kt(5)dadt=Κf(a)(4)G(a)=Κt(5)式中,a為固化反應(yīng)速度,K為反應(yīng)速率常數(shù),t為時(shí)間,f(a)為微分形式的動(dòng)力學(xué)機(jī)理函數(shù),G(a)為積分形式的動(dòng)力學(xué)機(jī)理函數(shù)。f(a)與G(a)之間有以下關(guān)系:f(a)=1G’(a)=1d[G(a)]/da(6)f(a)=1G’(a)=1d[G(a)]/da(6)其中反應(yīng)速率常數(shù)K與溫度T之間的關(guān)系可采用Arrhenius方程形式加以表述:K=Aexp(?ERT)(7)Κ=Aexp(-ERΤ)(7)式中,A為常數(shù),E為活化能,T為溫度,R為理想氣體常數(shù)。2工藝模仿2.1小端、高3.試件1為盒型件,長1.0m、寬(大端0.35m,小端0.25m)、高0.3m;試件2為V型肋試件,長0.8m,寬0.3m,該試件兩凸緣外緣間距0.35m。2.2兩組本構(gòu)模型RTM以試件1為例,利用PAM軟件進(jìn)行Heat-RTM工藝仿真,其CAE網(wǎng)格模型包含2560個(gè)單元和7872個(gè)結(jié)點(diǎn),試件的設(shè)計(jì)注口或溢口位置如圖1的Group色柱所示(分別為Group1:試件大端、Group2:試件小端、Group4:試件中間上、Group5:試件中間下),以及盒型件的上、下面各為一個(gè)與工裝面接觸的Group加熱組,如圖1所示的6、7Group色柱。試件1的仿真分析流程:(1)在CATIA中建立CAD模型,通過網(wǎng)格劃分建立CAE模型,再將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Heat-RTM程序;(2)按照試件的鋪層設(shè)置好各層的材料參數(shù),并設(shè)計(jì)注口和溢口位置及數(shù)量方案;(3)仿真數(shù)據(jù)提交并進(jìn)行計(jì)算求解,得到充模時(shí)間、充模過程、模腔內(nèi)壓力分布和樹脂用量等后處理結(jié)果;(4)如果求解的結(jié)果顯示樹脂流動(dòng)過程有問題,可通過修改工藝設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)來滿足要求,達(dá)到優(yōu)化充模過程的目的。2.3材料參數(shù)的確定進(jìn)行Heat-RTM仿真分析時(shí),由于纖維不進(jìn)行力學(xué)性能分析,所以只輸入纖維的密度和熱導(dǎo)率等;由于RTM是在加熱條件下進(jìn)行的,應(yīng)考慮溫度對樹脂性能的影響,并確定其密度和黏度;結(jié)合試驗(yàn)及相關(guān)資料確定其他參數(shù)。本仿真過程涉及的主要材料參數(shù)見表1。主要工藝參數(shù)為,注口壓力:0.1～0.5MPa,溢口壓力:0～0.1MPa,注射溫度:110～125℃。2.4樹脂注射量和溢口位置對模擬結(jié)果的影響利用PAM軟件的Heat-RTM模塊進(jìn)行仿真,首先在設(shè)定溫度和壓力條件下設(shè)計(jì)三種典型工藝方案(表2),優(yōu)化出較為適合的工藝方案,其注口和溢口位置示意圖如圖1色柱所示;其次在以上優(yōu)化方案基礎(chǔ)上再對溫度和壓力等參數(shù)進(jìn)行仿真分析,通過參數(shù)修改、性能仿真,達(dá)到優(yōu)化工藝參數(shù)的目的。方案1:設(shè)計(jì)注口位置在試件的小端和大端,溢口在其中部,仿真模擬結(jié)果見圖2。由此獲得的注射時(shí)間為15.2min,樹脂注射量為5.75×103cm3,樹脂溢出量為3.73×102cm3,樹脂用量為5.38×103cm3。方案2:注口位置在試件的大端,溢口在其小端,仿真模擬結(jié)果見圖3。由此獲得的注射時(shí)間為29.7min,樹脂注射量為5.42×103cm3,樹脂溢出量為15.4cm3,樹脂用量為5.41×103cm3。方案3:注口位置在試件的小端,溢口在大端,仿真模擬結(jié)果見圖4。由此獲得的注射時(shí)間為23.5min,樹脂注射量為5.43×103cm3,樹脂溢出量為26.0cm3,樹脂用量為5.40×103cm3。綜上可知,方案1的注射時(shí)間最短,但樹脂溢出量最多,同時(shí)該方案的溢口在試件中間,若在溢口處形成干斑等缺陷不易避開;方案2和3的樹脂注射量和溢出量都很接近,因此樹脂用量也基本相當(dāng),但方案3的注射時(shí)間較短。結(jié)合以上分析可知,選擇方案3較合理,而且該方案若在注口或溢口處有缺陷形成,也易于避開。2.5熱壓罐的硬化模擬2.5.1固化劑的研制利用固化仿真軟件對試件2進(jìn)行模擬,熱壓罐固化成型的材料參數(shù)包括樹脂的焓、黏度及密度,增強(qiáng)材料的強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)等;固化的工藝參數(shù)主要包括溫度和壓力。本次仿真選用的材料為碳纖維雙馬來酰亞胺體系,為高溫固化型,具體參數(shù)設(shè)置與RTM相似。2.5.2固化工藝參數(shù)的調(diào)整在固化模擬過程中,通過對參數(shù)的設(shè)置、計(jì)算求解及后處理顯示來實(shí)現(xiàn)零件的仿真分析,對于不合理的參數(shù)設(shè)置需進(jìn)行修改,再次進(jìn)行模擬,直至優(yōu)化出較為適合的固化工藝參數(shù)。利用PAM軟件的CURING模塊,可以得到零件的固化時(shí)間、固化率分布及固化過程的溫度、壓力變化。由于壓力的仿真優(yōu)化與溫度相似,因此本節(jié)只以溫度變化和固化率分布為例來具體闡述固化工藝曲線的設(shè)計(jì)是否合理。2.5.2.1.硬化工藝曲線設(shè)計(jì)熱壓罐固化過程中,溫度和壓力對試件的固化周期和固化質(zhì)量至關(guān)重要。圖5為本仿真過程的溫度-壓力曲線,通過仿真來驗(yàn)證該曲線設(shè)計(jì)的合理性。2.5.2.固化過程中溫度的變化溫度對試件固化程度影響較大,在固化溫度范圍內(nèi),試件從開始固化到固化完全,圖6為試件在固化過程中不同時(shí)刻的溫度情況。圖中左下端的時(shí)間表示試件顯示溫度(與顏色柱一致)所對應(yīng)的時(shí)刻?？梢?當(dāng)試件的固化時(shí)間為21996s(6.1h)時(shí),試件的溫度為455～472K。2.5.2.固化度的調(diào)整通過固化成型工藝的數(shù)值模擬,可直觀了解試件的固化過程,圖7為試件在固化過程中不同時(shí)刻的固化度。圖中左邊的顏色柱表示固化度的高低,顏色由淺至深,表示固化度依次升高,當(dāng)固化度為1時(shí)表示已固化完全。左下端的時(shí)間表示試件顯示的固化度(與顏色柱一致)所對應(yīng)的時(shí)刻。圖7表示當(dāng)試件固化時(shí)間為21996s(6.1h)時(shí),其固化度為0.9～1。2.5.3固化時(shí)間對比在相同工藝參數(shù)條件下,試件2均固化完全(固化度為1),通過模擬得到的仿真固化時(shí)間為6.1h;在試驗(yàn)中的固化時(shí)間為7.0h。通過分析及模擬顯示表明,試件2在以上工藝參數(shù)條件下可以完全固化,表明該固化工藝曲線設(shè)計(jì)合理。3固化