典型夹芯结构复合材料VARI工艺成型仿真计算研究

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,提出了一种简单方便的等效建模法。以弧形和带加强筋的夹芯结构复合材料构件为基础模型,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM软件对两种夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了仿真计算,并结合工艺成型实验进行了实验验证。     

夹芯结构复合材料构件VARI工艺仿真计算与成型实验

对于大尺寸夹芯结构或复杂形状夹芯结构复合材料的VARI工艺成型过程的模拟仿真计算,如果采用传统的建模方法,则建模困难,模拟仿真计算量大,效率不高。针对此问题,本文提出了一种简单方便的等效建模法。以矩形泡沫夹芯结构复合材料构件的铺层设计为基础,采用等效建模法建立了实体CAD模型和有限元网格模型,并利用PAM-RTM模拟软件对夹芯结构复合材料构件的VARI工艺成型过程进行了模拟仿真计算,结合工艺成型实验进行了实验验证,并对制品的密度、树脂含量和力学性能等进行了测试与表征。结果表明:由等效建模法仿真计算所得理论充模时间与实测充模时间基本一致,且仿真计算所得树脂流动前锋位置曲线与工艺成型实验测试值也比较吻合;VARI工艺成型对夹芯结构复合材料制品性能的分布均匀性有一定影响。     

穿孔泡沫夹芯复合材料灌注工艺仿真与方案优选

以穿孔泡沫夹芯复合材料为研究对象,对其真空辅助树脂灌注(VARI)工艺进行了实验研究、仿真分析和方案优选。首先,通过实验测试与数值计算分别得到穿孔夹芯结构织物与芯材孔洞的渗透率;然后,对穿孔夹芯结构灌注过程进行三维仿真模拟,并通过实尺度灌注实验验证了仿真模拟的可靠性;最后,基于验证的仿真模型进行工艺参数优选,拟合得到了灌注时间的预测模型。结果表明：数值仿真与实验值基本吻合,能较准确地模拟穿孔夹芯结构成型时的流动过程和孔隙分布;灌注时间的预测模型可用于指导实际生产;通过优化成型工艺参数可控制树脂的流动行为,达到缩短成型时间和降低构件孔隙率的目的。     

树脂传递模塑成型工艺中嵌套效应引起渗透率变异的实验与数值模拟

树脂传递模塑成型工艺(RTM)中最重要的变形模式之一是厚度方向压缩。厚度方向压缩减小了织物预成型体的厚度,使织物预成型体局部结构形式发生改变从而引起嵌套效应。嵌套效应不仅会减少织物预成型体的厚度,增加纤维的体积分数并改变孔隙率,而且相邻织物层嵌套效应具有一定的空间分散性,从而使得织物预成型体渗透率具有变异性。本文针对低黏度树脂设计了一种实验装置用以测量局部渗透率的空间分散性,随后建立了随机嵌套单胞模型,利用ANSYS/CFX有限元软件实现了单胞填充浸润的数值模拟,通过流量分析获得局部渗透率,并研究了渗透率的统计分布。通过实验结果与数值模拟结果相对比,验证数值模拟结果的可靠性。最后,基于渗透率的统计分布建立了随机渗透率场,并进行填充浸润的数值模拟,通过与传统恒定渗透率的方法进行比较,证明该方法具有更高的先进性。研究结果可以对未来RTM工艺的稳健性优化提供依据。      

真空渗漏工艺缺陷对VARI成型复合材料质量及性能的影响

分析了真空辅助树脂渗透（VARI）工艺系统真空对成型质量的重要性。 通过在VARI工艺的进胶截门前、出胶截门后及进出胶截门之间3个区域分别设置渗漏点,调整渗漏点的大小控制真空渗漏的严重程度,对研制的不同渗漏位置以及不同渗漏严重程度的试验件进行外观评价、厚度测试以及超声缺陷检测。 并通过测试不同试验件的开孔压缩性能开展了工艺试验,得到了VARI工艺过程中真空渗漏的位置和程度对复合材料质量的影响：当系统真空出现轻微渗漏时,对VARI工艺成型复合材料制件的最终质量的影响需根据渗漏点进行判定;当系统真空出现严重渗漏时,对VARI工艺成型复合材料制件的最终质量有严重影响,与渗漏的部位无关;VARI工艺成型复合材料层合板的开孔压缩强度与制件的孔隙率成反比关系。     

真空辅助树脂灌注工艺成型泡沫夹芯结构工艺设计与控制

采用无屈曲织物(NCF)、 CYCOM^® 890 RTM树脂体系和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫以及真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)成型泡沫夹芯复合材料平板, 结合力学性能测试和微观结构分析等手段研究了成型过程中抽胶对夹芯板界面质量以及纤维体积分数的影响, 分析产生的缺陷类型及原因, 优化了工艺参数。结果表明: 抽胶有利于提高泡沫夹芯板的纤维体积分数和力学性能, 在100～120 ℃温度范围内进行30 min的抽胶, 工艺稳定, 层间剪切强度和弯曲强度显著提高。     

真空辅助树脂灌注工艺成型泡沫夹芯结构工艺设计与控制

采用无屈曲织物(NCF)、CYCOM(R) 890 RTM树脂体系和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫以及真空辅助树脂灌注成型工艺(VARI)成型泡沫夹芯复合材料平板,结合力学性能测试和微观结构分析等手段研究了成型过程中抽胶对夹芯板界面质量以及纤维体积分数的影响,分析产生的缺陷类型及原因,优化了工艺参数.结果表明:抽胶有利于提高泡沫夹芯板的纤维体积分数和力学性能,在100～120℃温度范围内进行30 min的抽胶,工艺稳定,层间剪切强度和弯曲强度显著提高.     

VIP工艺中L型构件渗透规律的实验研究

VIP(Vacuum Infusion Process)作为一种新型的低成本液体模塑成型技术由于具备一系列优点已广泛应用于大型复合材料零件的生产中。不同于平板构件,VIP工艺中L型构件的渗透特性在各个部分并不均匀。本文通过对L型构件预成型体渗透率进行实验研究,得到了三种几何结构的L型预成型体的渗透规律,由于拐角处纤维被压实使得L型构件的渗透率比相同铺层和相同工艺下平板构件的渗透率小;并采用几何平均方法分析了L型预成型体拐角处的渗透率,对异型结构件VIP工艺的实施具有一定的指导作用。     

复合材料单搭接头的剪切强度对比实验研究

在常温和湿热高温的环境下,分别进行了三种不同的成碰工艺(RTM、引入缝纫的RTM和胶接)制备的单搭接头的剪切强度实验,研究了成型工艺对单搭接头的剪切强度的影响,并根据实验现象分析了单搭接头的剪切破坏机理.实验结果表明:引入缝纫的RTM成型试样的剪切强度性能最高,而胶接成型试样的剪切强度最低;环境温度对RTM和引入缝纫RTM成型试样的剪切强度影响不大,而对胶接成型试样的剪切强度有较大影响.     

缝合夹层结构复合材料树脂传递模塑成型工艺充模仿真

对复合材料与金属经缝合连接形成的夹层结构板的树脂传递模塑成型（RTM）工艺进行了充模模拟研究。首先通过实验和数值计算的方法,分别获得缝合夹层结构织物和芯层孔洞的渗透率;随后,建立能够反映缝孔内流动情况的二维和三维简化模型,进行RTM充模仿真,讨论不同工艺参数对成型流动的影响;最后通过成型实验验证工艺的可行性。缝线与孔洞直径之比为0.3~0.8时,孔洞渗透率随缝线直径的增大而减小,预制体织物渗透率与孔洞渗透率相差两个数量级;缝孔内容易产生缺陷,没有缺陷的区域随着注射压力的增加、孔洞密度和芯层厚度的减小而增大,在芯层表面沿每排孔洞单向开槽能够改善树脂在孔洞内的浸润;线注射时,树脂整体流动情况优于点注射,而点注射时,将进胶口设置在一角,能够减少表面干斑。     

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。     

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。      

VARI工艺制备典型平面及曲面构件的流道设计模拟研究

对典型平面及典型曲面构件进行了VARI工艺模拟分析,分别采用不同的模拟方案对两类构件进行流道设计模拟研究,由此得出了两类构件工艺流道设计的异同点,旨在针对不同构件的结构特点,选择最佳的注射方式及合理的流道设计方案,从而为模具设计及构件制造提供重要依据。     

真空辅助成型(VARI)工艺研究进展

主要介绍了真空辅助成型的工艺原理、特点以及技术要求等,并从VARI专用树脂体系、树脂流动行为和计算机模拟等方面阐述了VARI工艺技术的研究进展,指出了当前VARI工艺研究中存在的一些问题,并提出了解决思路。     

预成形体渗透率预测及剪切变形的影响

准确预测预成型体渗透率对复合材料液态成型工艺过程仿真有重要意义,铺覆过程中织物发生的剪切变形对局部渗透率有很大影响。本工作考虑纱线的可渗透性,对织物单胞内的树脂流动建立了统一的流动控制方程,同时建立了逼真的正交单胞几何模型,基于Adams-Bashforth差分格式和Chorin投影法构造了数值求解树脂流动控制方程的高分辨率TVD格式,利用达西定律预测了单胞的渗透率,算例表明该算法预测值与实验值有较好的吻合,验证了算法的准确性。在正交单胞渗透率求解的基础上,采用贴体坐标法完成了单胞剪切变形后流动控制方程从物理域到计算域的转换,进而实现了剪切单胞渗透率的数值预测,考察了单胞主渗透率比与剪切角的关系,通过与文献中数据对比证明了该剪切单胞渗透率预测算法的合理性。     

嵌入加强筋的缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充填模拟及验证

在缝合泡沫夹芯结构复合材料的泡沫中嵌入轻质的加强筋板,可以在不增加缝合密度并且在只增加较少质量的前提下,增强复合材料制品整体的强度和刚性。文中对真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺树脂在嵌入加强筋的缝合泡沫夹芯结构复合材料预成型体中充填过程进行模拟和验证研究。采用一种矩形流道模型代替沿加强筋与泡沫空隙间的树脂流动,并对其等效渗透率及孔隙率进行计算;通过PAM-RTM软件模拟了嵌入加强筋板的缝合泡沫夹芯结构VARTM工艺的树脂充填过程,并建立了流动可视化实验装置与模拟对比,结果表明模拟与实验相当吻合。而模拟与实验的结果均表明加强筋的引入可以在局部加强树脂沿厚度方向的流动,但是会延缓树脂对整个预成型体的充填。     

VARI用乙烯基树脂黏度特性及固化工艺研究

用乙烯基树脂体系对真空辅助成型工艺(VARI)进行了初步配方设计,研究了促进剂含量以及温度变化对树脂体系固化反应时间的影响,优选了树脂配方.采用旋转黏度计对树脂体系黏度-温度特性及黏度-时间特性进行了研究,结果表明:乙烯基树脂适用于VARI工艺.并结合差示扫描量热仪(DSC)测试结果,采用外推法,确定了三种树脂体系的固化工艺参数.     

复合材料厚壁连杆RTM成型工艺模拟及制造验证

根据复合材料的可制造性及RTM成型工艺的特点对复合材料厚壁连杆的几何外形进行了优化设计。测定了纤维预成型体的渗透率参数, 采用数值模拟技术研究其RTM成型工艺过程, 并根据RTM流动模拟结果设计了成型模具, 成功地利用RTM工艺制备了复合材料厚壁连杆样件。对样件的力学试验考核表明, 采用基于数值模拟技术的工艺设计能够很好地满足制件的制造及载荷要求。     

RTM制品孔隙率分析与表征

本文以孔隙率作为缺陷的综合衡量指标,分别在不同压力、不同纤维体积分数,局部压实、中间加厚、去除纤维表面上胶剂的情况下,通过实验统计孔隙率的变化规律,结果发现,不论在何种工艺条件下,注胶口附近的孔隙率都明显低于出胶口；注射压力加大时,充模时间缩短,注胶口附近孔隙率降低,但出胶口附近孔隙率增大；随着纤维层数的增加,孔隙率增大,中间加厚时,与加厚前相比较孔隙率有较大程度的增加；局部压实时,压实部位孔隙率增大.通过测量纤维去除表面上胶剂前后的渗透率、孔隙率、用DMA和SEM对玻璃纤维复合材料界面性能进行研究,结果发现:表面处理使纤维的可燃物含量降低,浸润性能改善,渗透率提高,但复合材料拉伸强度降低.结合无损检测技术和显微镜的观测,能直观地看到不同工艺参数下试样缺陷分布情况,跟统计的孔隙率分布基本吻合.     

固化过程中模具与复合材料构件相互作用分析

通过在模具与复合材料之间引入剪切层的方法, 建立预报相互作用下构件变形的有限元模拟程序, 模拟结果与文献中的实验结果基本吻合。同时建立了剪切层性能参数预报模型, 经实验与模拟结果的对比证明, 该模型能够对不同工艺条件下及不同结构尺寸的复合材料构件的固化变形进行较为准确地模拟。