复杂形状三维薄壁构件RTM制造工艺注模过程模拟

采用有限单元/控制体积方法,编写了RTM工艺注模过程模拟程序SHELLCV。SHELLCV程序包含三角形壳元和矩形壳元两种单元,可以模拟复杂形状三维薄壁构件的RTM制造工艺注模过程,得到任意时刻的树脂流动前峰曲线、压力场分布。与解析解比较验证了SHELLCV程序的稳定性和可靠性。算例研究表明SHELLCV程序可为工艺设计:注射口和排气口的布置,合模压力提供有效的参考依据。      

基于混合网格方法的VARTM工艺充模仿真与实验验证

针对VARTM工艺的特点,建立了充模过程树脂流动和预成型体变形行为数学模型。提出了基于混合网格方法的VARTM充模仿真算法,在该算法中,模具型腔几何模型进行二维或三维网格划分,在每个真空袋表面单元上增加一个一维附属单元,用于在仿真过程中实时地吸收或挤出因真空袋变形而产生的局部树脂体积变化,形成混合网格仿真模型;求解过程中,对树脂流动和预成型体变形分别进行求解后,基于上述混合网格模型进行两者耦合操作,实现了仿真精度和速度的统一。搭建了VARTM充模实验平台,进行了一维充模实验,通过仿真结果与实验测量结果对比,验证了本文算法的正确性。最后,通过三维仿真算例,验证了算法对三维复杂结构和顺序浇口策略仿真的可行性。     

二步法三维编织变截面薄壁壳体RTM 工艺数值模拟与试验研究

采用分段-集合计算方法, 对二步法三维编织变厚度变截面薄壁壳体RTM 充模工艺过程进行了较深入的理论研究。提出了较准确的树脂流动速度、树脂充模时间和树脂流动压力计算方程。数值预测值与充模试验结果具有良好的一致性, 所推导理论方程为合理设计RTM 充模工艺参数提供了理论依据。      

复合材料厚壁连杆的RTM工艺模拟研究

采用数值模拟方法研究了一种复合材料厚壁连杆结构的RTM工艺过程,对比了其2D,2.5D,3D模型RTM树脂流动过程。结果表明3D模型模拟结果较为直观,能较准确地体现T接头处树脂三维流动的细节。对于本文所示的厚壁连杆结构,应采用3D模型来进行数值模拟,从而确定RTM成型的注胶口、出胶口位置及其他工艺参数。     

基于FEPG有限元分析系统的树脂充模过程模拟

为优化复杂预成型体结构的液体成型工艺,基于有限元法/生死节点法模拟了复合材料液体模塑成型过程树脂流动,并针对典型矩形平板、圆板结构、I型加筋壁板充模过程进行了仿真与验证。结果表明:典型矩形平板和圆板结构的充模过程模拟结果与理论解一致性较好,验证了生死节点法跟踪树脂流动前锋的有效性。含有方腔的变厚度圆柱体和正方体三维实体结构的充模过程模拟验证了有限元方法对三维结构的适用性。基于有限元法/生死节点法的液体充模过程模拟方法对于复杂求解区域具有更好适应性,可用于复杂实体结构的液体模塑成型工艺过程树脂流动规律预测、指导模具设计及工艺优化。      

RTM工艺树脂流动过程数值模拟及实验比较

树脂充模是RTM工艺成型过程中的重要一环。研究了RTM工艺树脂流动过程的特点,建立了树脂渗流控制方程。采用贴体坐标/有限差分法模拟了树脂渗流过程,给出了不同时刻树脂流动前沿曲线及终止时刻压力场分布,计算结果与试验结果吻合良好。     

复合材料热压成型过程的树脂压力测试系统

在树脂基复合材料的成型工艺中大多涉及到树脂的流动过程, 而树脂压力是反映这一过程的重要参数, 监测成型过程中树脂压力的变化可以为工艺参数的选择和构件质量的控制提供指导。本文中针对热压工艺, 根据液体传压原理和特点, 自行研制了复合材料成型过程树脂压力测试系统, 对系统的精度和动态响应性能进行了研究, 并以该系统为测试手段, 初步研究了玻璃纤维单向层板中树脂压力的变化规律。结果表明, 该系统具有准确度高和动态响应敏感的特点, 满足热压成型过程树脂压力的测试要求, 为研究工艺过程树脂流动行为提供了有力的测试与验证手段。      

树脂膜熔渗工艺浸渍过程的模拟与分析

针对树脂膜熔渗(RFI)成型工艺过程中充模阶段树脂在预制件中的流动行为进行分析,根据牛顿流体在多孔介质中的渗流理论,在Darcy定律基础上使用有限元控制体技术建立二维等温流动控制方程,再对试验件进行几何建模和网格剖分,使用C++语言编写模拟成型工艺中树脂流动过程的程序。由计算实例可见,该方法能够很好地预测树脂浸渍过程中浸渍时间与预浸高度的关系,并确定流动前沿及模腔中的压力的变化规律。     

树脂膜熔渗工艺充模过程的模拟与分析

树脂膜熔渗工艺(RFI)是一种新型的复合材料成型工艺.为了更深入了解树脂膜熔渗工艺过程中充模阶段的控制参数对制品质量的影响,避免制品出现空斑、充模不完全等问题,针对该工艺过程中树脂在复杂形状预制件中的流动行为进行了分析,在达西定律基础上建立了二维等温流动控制方程,利用有限元/控制体方法建立了数值分析模型,编制了FORTRAN程序进行模拟运算,并讨论了流动过程中施加的压力对充模时间的影响.由计算实例可见,所编制程序能够很好地预测树脂膜熔渗工艺过程中充模时间、各个时刻树脂的流动前沿位置及模腔中的压力分布.     

RTM工艺参数对树脂充模过程影响 的模拟与实验研究

通过开发计算机程序与有限元/控制体积分析软件,能够实现对任意复杂三维形状复合材料构件的造型和RTM工艺充模过程的模拟。研究了改变工艺参数时工字孔平板的RTM工艺模拟结果和实验结果,两者基本保持一致;证明了恒压注射情况下,充模时间与注射压力、渗透率成反比,与树脂粘度成正比;也证实了该模拟软件确实可用于预测树脂流动模式以及成型效率,为RTM实际工艺设计与优化提供了有效的技术手段。      

Resin Flow of an Advanced Grid-Stiffened Composite Structure in the Co-Curing Process

The soft-mold aided co-curing process which cures the skin part and ribs part simultaneously was introduced for reducing the cost of advanced grid-stiffened composite structure (AGS). The co-curing process for a typical AGS, preformed by the prepreg AS4/3501-6, was simulated by a finite element program incorporated with the user-subroutines ‘thermo-chemical’ module and the ‘chemical-flow’ module. The variations of temperature, cure degree, resin pressure and fiber volume fraction of the AGS were predicted. It shows that the uniform distributions of temperature, cure degree and viscosity in the AGS would be disturbed by the unique geometrical pattern of AGS. There is an alternation in distribution of resin pressure at the interface between ribs and skin, and the duration time of resin flow is sensitive to the thickness of the AGS. To obtain a desired AGS, the process parameters of the co-curing process should be determined by the geometry of an AGS and the kinds of resin.     

基于树脂流动的变截面复合材料结构固化过程热-流-固多场强耦合数值仿真

在考虑树脂流动对固化温度场影响的基础上,将树脂流动引入经典热-化学模型,并在考虑了固化过程材料性能时变特性条件下,建立了复合材料热-流-固多场强耦合有限元模型。通过对比文献中未考虑树脂流动对温度场的影响,本文所建模型温度场较实际结果的最大温差更低,厚度密实精度更高,模型可靠性更好。基于所建热-流-固强耦合有限元模型,对变截面复合材料结构固化过程进行数值仿真。研究发现,变截面复合材料结构较厚区域存在明显温度场、固化度场及树脂流场分布梯度,纤维体积分数分布不均性较大,这与结构不同区域的厚度、固化过程温度传递滞后及局部树脂流动受固化效应不同步产生的影响有关。变截面复合材料结构厚度由3.52 mm增加至42.24 mm,截面最大温差由0.3℃增加到34.3℃,纤维体积分数分布不均匀性由0.1%增加到1.3%。     

Analysis of non-isothermal mold filling process in resin transfer molding (RTM) and structural reaction injection molding (SRIM)

In this paper, we present a modeling and numerical simulation of a mold filling process in resin transfer molding/structural reaction injection molding utilizing the homogenization method. Conventionally, most of the mold filling analyses have been based on a macroscopic flow model utilizing Darcy's law. While Darcy's law is successful in describing the averaged flow field within the mold cavity packed with a porous fiber preform, it requires experiments to obtain the permeability tensor and is limited to the case of porous fiber preform-it can not be used to model the resin flow through a double porous fiber preform. In the current approach, the actual flow field is considered, to which the homogenization method is applied to obtain the averaged flow model. The advantages of the current approach are: parameters such as the permeability and effective heat conductivity of the impregnanted fiber preform can be calculated; the actual flow field as well as averaged flow field can be obtained; and the resin flow through a double porous fiber preform can be modelled. In the presentation, we first derive the averaged flow model for the resin flow through a porous fiber preform and compare it with that of other methods. Next, we extend the result to the case of double porous fiber preform. An averaged flow model for the resin flow through a double porous fiber preform is derived, and a simulation program is developed which is capable of predicting the flow pattern and temperature distribution in the mold filling process. Finally, an example of a three dimensional part is provided.     

基于化学流变学的复合材料液态模塑成型过程的灵敏度分析

为了探讨复合材料液态模塑成型（LCM）过程中充填时间和树脂流动前锋形状对材料参数及工艺参数的敏感程度,考虑树脂非稳态浸润过程中的边缘效应以及固化反应现象,引入灵敏度分析方法,推导了模腔内流体压力灵敏度和流体速度灵敏度等关键物理量参数之间所满足的数学关系,构建了充填时间灵敏度方程以及表征材料浸润缺陷形成可能性的树脂流动前锋形状函数及其灵敏度方程,并设计了各物理量的耦合求解方法及灵敏度分析的技术路线。在此基础上,自主开发了数值模拟软件,数值分析了关键材料和工艺参数对树脂流场发展的影响规律和程度。模拟结果表明,在恒压注射边界条件下,提高流体注射温度是提高生产效率最有效的方法,减少边缘区域渗透率则是最能改善树脂流动前锋形状以及充填浸润效果的途径。     

液体模塑成型工艺二维径向非饱和流动数值模拟

通过引入沉浸函数建立了双尺度多孔介质非饱和流动模型,并采用有限元/控制体积法实现了恒压及恒流注射条件下液体模塑成型（LCM）工艺二维径向非饱和流动的数值模拟,得到了不同注射条件下纤维织物内的压力场分布及半饱和区域长度随时间的变化规律,并将双尺度非饱和理论结果与单尺度饱和理论结果进行对比。结果表明：非饱和流动过程中,半饱和区域内的压力和压力梯度明显下降;半饱和区域长度随时间逐渐增加随后保持稳定,当流动前沿到达出口后半饱和区域长度开始逐渐减小;当两个主方向渗透率不同时,沿主方向半饱和区域长度也不同,渗透率越大该方向的半饱和区域长度也越大,纤维织物完全浸润时间取决于较小的渗透率。研究结果对合理预测树脂填充过程中压力分布及纤维预制件的浸润具有指导意义。     

Three-dimensional flow visualization experiment of an RTM injection for a GFRP cuff mold

This work presents a three-dimensional flow visualization of the injection process for a glass fiber reinforced plastic (GFRP) beam-column connection also known as a GFRP cuff. Previous work on flow visualization is extended by highlighting the stage-wise process of the injection and the dependence on three-dimensional qualities. The work also provides finite element model adaptations suggested by three physical flow experiments performed in a GFRP cuff mold. The first experiment revealed the nature of the injection in the actual GFRP cuff mold; the second explored the effects of varying the size of void spaces and cutting channels in the fibers; the last experiment shows that small deflections of the mold allow the resin to flow freely to channels which distribute resin into the fibers. The final section of this paper provides the results of a finite element model of the injection process. The results reveal that including the adaptations suggested by the experiments greatly increases the accuracy of the numerical simulation.     

复合材料等厚层板热压成型中树脂流动过程数值模拟

树脂基复合材料热压成型过程中树脂流动在很大程度上决定着层板纤维含量、 孔隙含量以及层板尺寸 , 根据有效应力原理与达西渗流定律建立了描述复合材料等厚层板热压成型过程树脂流动与纤维密实的数学模型 , 采用有限单元方法实现了热压成型中纤维密实均匀状况的预报。分析了温度边界条件、 铺层方式对树脂流动过程的影响。结果表明: 温度边界条件对计算结果影响比较大 ; 铺层方式对层板厚度以及纤维体积分数分布规律影响非常大 ; 边界条件以及材料参数的准确性直接影响计算结果的可靠性。以 T700S/环氧 5228单向层板为例进行了实验验证 , 结果表明计算与实验结果的一致性非常好。