復(fù)合材料工藝仿真與模具設(shè)計(jì)研討

復(fù)合材料工藝仿真與模具設(shè)計(jì)研討

1復(fù)合材料傳動(dòng)軸注射過(guò)程模擬

復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)軸依據(jù)其構(gòu)造形式可分為整體性和裝配型兩類。裝配型傳動(dòng)軸由于其工藝簡(jiǎn)潔和力學(xué)性能良好而被廣泛應(yīng)用，本文直升機(jī)尾翼復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)采納的是裝配型的設(shè)計(jì)，并采納混合連接即同時(shí)使用膠連接和機(jī)械連接，其具有連接牢靠性大大提高，疲憊強(qiáng)度提高，減輕構(gòu)造質(zhì)量等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外最廣泛采納的連接方式。本文復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)參數(shù)為：長(zhǎng)1600mm，外徑80mm，壁厚為4mm。

1.1數(shù)學(xué)模型在RTM工藝的模擬計(jì)算中，其數(shù)學(xué)模型假設(shè)制件中的增加材料為剛性體，樹(shù)脂為不行壓縮牛頓流體，其外表張力的影響也被忽視不計(jì)；由于模具的模腔的空隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于增加材料間的孔隙，故樹(shù)脂的流淌可以利用牛頓流體通過(guò)多孔介質(zhì)的達(dá)西定律來(lái)描述，其Darcy方程可寫(xiě)成以下形式：其邊界條件為：在流淌的前沿，壓力值P=0；在注射口，常壓注塑時(shí)，壓力值P=P0，常流率注射時(shí)V=V0；在模具壁處，。

1.2注射過(guò)程模擬應(yīng)用的RTM仿真軟件為Polyworx公司的RTM-Worx，其是樹(shù)脂注射工藝領(lǐng)域內(nèi)具有世界領(lǐng)先地位的數(shù)字化仿真分析軟件。目前，RTM-Worx已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在世界各地的航空、航天、材料加工、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等各個(gè)行業(yè)的復(fù)合材料構(gòu)造設(shè)計(jì)領(lǐng)域。RTM成型工藝中，工藝參數(shù)如注膠口、注射溫度、注射壓力、樹(shù)脂的性能、真空幫助成型時(shí)的真空度的大小、排氣口的位置和纖維含量和構(gòu)造等都會(huì)影響到復(fù)合材料產(chǎn)品的性能。因此使用該軟件進(jìn)展注射過(guò)程的仿真分析，可合理地確定注膠口、注射溫度、注射壓力和溢料口，從而大大提高模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，為模具設(shè)計(jì)供應(yīng)設(shè)計(jì)參考，降低模具設(shè)計(jì)的本錢。還可估量注射的時(shí)間，合理確定各個(gè)工藝參數(shù)，再進(jìn)展小量試驗(yàn)就可以得到高性能的產(chǎn)品。

由于在RTM產(chǎn)品中，模具的設(shè)計(jì)和制造對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程具有特別重要的影響，為了設(shè)計(jì)出合理的模具，僅僅依靠閱歷是不夠的，因此RTM產(chǎn)品的構(gòu)造設(shè)計(jì)完成后，為了確定和優(yōu)化注射過(guò)程中的工藝參數(shù)，必需在RTM工藝仿真軟件中對(duì)產(chǎn)品的注射過(guò)程進(jìn)展模擬。這樣，通過(guò)對(duì)注射過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，可得到許多對(duì)模具設(shè)計(jì)和制造有用的數(shù)據(jù)，則可以對(duì)可能消失的缺陷進(jìn)展猜測(cè)并制定改良方案，故勢(shì)必降低模具設(shè)計(jì)的本錢，提高模具的效率和質(zhì)量。

復(fù)合材料傳動(dòng)軸在RTM-Worx中有限元模型如圖1所示。復(fù)合材料傳動(dòng)軸的RTM-Worx注射過(guò)程壓力變化如圖2所示。充模完畢后，采納顏色漸變來(lái)顯示填充時(shí)間的變化，如圖3所示；RTM-Worx還支持多項(xiàng)結(jié)果同時(shí)顯示，圖4是填充時(shí)間和填充壓力共同經(jīng)分析與比擬確定了注塑過(guò)程的最正確工藝方案為：注膠口放在傳動(dòng)軸的一端，溢料口放在另一端，注射壓力P=0.1MPa，樹(shù)脂粘度為η=10Pas。模擬的注射時(shí)間如圖3所示為50.7s。

2復(fù)合材料傳動(dòng)軸的模具設(shè)計(jì)

2.1模具設(shè)計(jì)的要求RTM工藝中模具的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循構(gòu)造簡(jiǎn)潔合理、經(jīng)濟(jì)有用和功能齊全的原則。模具的設(shè)計(jì)受到諸多因素的影響，主要需要滿意以下要求：①模具材料應(yīng)當(dāng)具有良好的機(jī)械和熱學(xué)性能。②為了保證RTM產(chǎn)品的尺寸精確，模具的加工精度必需得到保證。③模具中注膠口和出膠口應(yīng)當(dāng)合理配置。④模具應(yīng)具有精確的定位構(gòu)造；⑤假如需要，模具應(yīng)當(dāng)具有供熱和冷卻裝置。⑥為保證模具內(nèi)部的壓力與真空度及防止樹(shù)脂泄漏，模具應(yīng)具有完善的密封構(gòu)造。⑦RTM模具的制造本錢一般較高，故設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能降低模具的本錢。

2.2模具材料的選擇制造RTM模具的材料許多，例如鑄鐵、碳鋼、復(fù)合材料和鋁等。模具材料的選擇一般取決于模具的數(shù)量、使用壽命、產(chǎn)品精度和樹(shù)脂的種類等因素，而且必需具有以下的機(jī)械和熱學(xué)性能：較佳的耐腐蝕性能，較好的機(jī)械加工、焊接、外表拋光等性能，較高的抗張強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等，較好的熱學(xué)性能。本文復(fù)合材料的傳動(dòng)軸采納T300的碳纖維作為增加體，樹(shù)脂使用的是中溫固化的環(huán)氧樹(shù)脂。由于熱作模具鋼ZG5CrNiMo與碳纖維預(yù)浸料的熱膨脹系數(shù)最為相近，模具材料選用的是模具鋼ZG5CrNiMo。

2.3型芯的設(shè)計(jì)考慮到模具的制造本錢和重量，型芯材料為45鋼，外形為空心軸，兩端協(xié)作連接端以備型芯的定位，空心軸與兩端的連接端以膠連接的方式連接。型芯的構(gòu)造如圖5所示。

2.4模具分型面設(shè)計(jì)模具分型面的設(shè)計(jì)必需考慮模具機(jī)械加工的難度以及費(fèi)用的凹凸、產(chǎn)品的精度、操作的便利性和模具的重量等因素。本文的復(fù)合材料傳動(dòng)軸構(gòu)造比擬簡(jiǎn)潔，故采納對(duì)稱的方式由上下兩個(gè)陰模組成，其構(gòu)造如圖6所示。

2.5注膠口和出膠口位置設(shè)計(jì)RTM模具的注膠口和出膠口的位置直接影響到產(chǎn)品的空隙含量，而空隙含量的多少直接影響到產(chǎn)品的性能，故其位置特別重要，為了降低空隙含量，生產(chǎn)上廣泛采納在模具設(shè)置排氣孔及抽真空技術(shù)。本文綜合考慮了注射時(shí)間、空隙含量和模具的簡(jiǎn)單度，將注膠口和出膠口分別放在模具的兩端，其直徑約為8mm。詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖7所示。由于模具為長(zhǎng)方形，故在注膠口和出膠口設(shè)置一個(gè)圓形的環(huán)槽，目的是為了樹(shù)脂在流淌的過(guò)程中能平行地向前流淌，使增加材料得到勻稱浸潤(rùn)，產(chǎn)品性能分散性小。假如不設(shè)置樹(shù)脂流淌的環(huán)形槽，在樹(shù)脂流淌的過(guò)程中會(huì)形成三角流淌，消失浸潤(rùn)的死角，使樹(shù)脂的浸潤(rùn)不充分，嚴(yán)峻影響產(chǎn)品性能。環(huán)形槽的設(shè)計(jì)如圖8所示。

2.6模具的密封設(shè)計(jì)為了防止樹(shù)脂的溢出和保證模具內(nèi)部的真空度，上下模之間和兩端的封蓋之間都采納O形密封圈密封，密封槽的大小取決于模具的尺寸的大小，本文取密封槽的寬度為10mm，為了減輕樹(shù)脂沿邊部流淌、降低夾緊力，應(yīng)使密封槽盡量靠近模具的內(nèi)邊。

2.7模具裝配圖復(fù)合材料傳動(dòng)軸模具的裝配剖面如圖9所示。由圖示可知，環(huán)形槽的作用除了有使樹(shù)脂勻稱流淌的作用外，當(dāng)卸除型芯時(shí)，其所形成的環(huán)形構(gòu)造可以作為卸除型芯的幫助裝置，其設(shè)計(jì)合理。此模具已經(jīng)完成生產(chǎn)，并進(jìn)展了注塑試驗(yàn)，取得了良好效果。

2.8復(fù)合材料傳動(dòng)軸的制備采納前文RTM-Worx模擬優(yōu)化的工藝方案和設(shè)計(jì)的模具進(jìn)展了復(fù)合材料傳動(dòng)軸的實(shí)際充模制造，所制備的復(fù)合材料傳動(dòng)軸的內(nèi)外壁外表光滑平坦，纖維浸漬完全，沒(méi)有明顯的缺陷，如圖10所示，且實(shí)際充模時(shí)間為1min左右，與模擬結(jié)果吻合得較好。

3結(jié)果與分析

所設(shè)計(jì)的直升機(jī)尾翼傳動(dòng)軸傳遞的最大功率430kW，工作轉(zhuǎn)速為3009r/min。直升機(jī)尾翼傳動(dòng)軸在工作中只承受扭矩作用，在強(qiáng)度計(jì)算中截面的最大工作應(yīng)力必需保證小于復(fù)合材料的強(qiáng)度極限。把傳動(dòng)軸傳遞的最大功率、工作轉(zhuǎn)速、外徑和內(nèi)徑代入公式(5)、(6)、(7)中，可得傳動(dòng)軸承受最大剪切應(yīng)力為39.19MPa，通過(guò)試驗(yàn)得到制備的傳動(dòng)軸的剪切應(yīng)力為52.6MPa，由以上數(shù)據(jù)可得制備的傳動(dòng)軸滿意設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

在復(fù)合材料制品中，模具的設(shè)計(jì)和制造對(duì)制品的質(zhì)量起著打算性的作用。為了設(shè)計(jì)出合理的模具，僅僅依靠閱歷是不夠的，本文利用RTM-Worx軟件對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的充模過(guò)程進(jìn)展了模擬，合理優(yōu)化RTM工藝參數(shù)。并基于