RTM加工工艺充模过程的计算机模拟

RTM加工工艺是一种先进复合材料加工的方法。但这种加工工艺技术含量高,设计不当非常容易出次品,尤其注射口和溢料口的设计。因此相当多的科技工作者对RTM加工工艺进行了计算机模拟研究,并已得到很大的发展,其计算方法和实验手段已获得广泛认可。由于有限元控制体积法不需要对变界面进行网格的重新划分而获得广泛采用。但是在众多的文献中,绝大多数使用的是三角形有限元网格,对于更加有效的四边形有限元网格没有提及或仅仅一笔带过。本文作者比较详细地阐述三角形和四边形有限元控制体积法的使用和实施,通过例子分析了三角形单元、四边形单元及其混合使用的情况下的计算结果。分析表明,四边形单元计算精度高、速度快,与三角形混合使用情况良好。     

RTM 工艺充模过程数值模拟及实验比较

树脂传递模塑(RTM ) 工艺越来越成为一种高效的先进纤维增强复合材料的制造方法, 其中RTM 的充模过程是一个很重要的步骤。本文对增强材料各向异性的二维RTM 充模过程进行数值模拟, 并把数值模拟结果和实验结果相比较。      

有限元网格对RTM充模模拟的影响

本工作基于有限元控制体积法编写了模拟程序,研究了节点数量、网格密度对模拟过程的影响.以带圆孔的长方形为例,模拟比较了不同网格密度和注入口位置对充模时间、流动前沿以及干点形成区域的影响.结果表明,节点数量增加到一定程度时,只延长计算时间,对充模时间影响很小;网格疏密分布影响流动前沿的位置,根据流动前沿的形状可以确定排气口的位置和数量.     

三维RTM固化过程的数值模拟

通过对RTM工艺的分析,可知固化过程是复合材料成型一个非常重要的阶段。本文中运用控制体积法和差分法对固化过程进行了数值模拟,将来自放热化学反应的非线性热源项处理成节点集中载荷。以厚板构件为例,与已发表的实验数据进行了比较,结果表明本文方法的正确性,并在此基础上分析了固化工艺对材料性能的影响。      

厚截面构件RTM注射工艺树脂流动过程模拟

针对厚截面构件的RTM工艺过程,研究了三维树脂流动问题。基于六面体单元,采用有限单元/控制体积方法,开发了三维树脂流动过程模拟程序HEXCV。与解析解比较验证了HEXCV程序的稳定性和可靠性。算例研究表明,HEXCV程序可为工艺过程设计提供有效的参考依据。      

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。     

RTM工艺注模过程边缘效应模拟分析

RTM工艺需将纤维预制体预置到模具中,由于纤维预制体结构不均匀性和模具形状、尺寸等影响,极易产生边缘效应。边缘效应会严重影响树脂流场发展和压力场分布。本文作者采用等效渗透系数方法模拟边缘效应,得到了其影响下的树脂流动前峰曲线和压力场。研究表明:一方面边缘效应可能导致不期望的树脂流场发展而形成工艺缺陷——干斑;另一方面可以利用边缘效应提高工艺效率:常流率注射时减小合模压力和注射压力,常压力注射时可以减少注模时间。      

RTM工艺树脂流动过程数值模拟

RTM工艺过程数值模拟对模具设计、工艺过程控制及参数优化非常重要。本文作者介绍了RTM工艺过程及特点,给出了树脂渗流控制方程,阐述了RTM工艺过程数值模拟存在的主要问题,采用贴体坐标/有限差分法和网格分区划分法模拟了模具内有插入物情形下的RTM工艺树脂渗流过程,给出了不同时刻树脂流动前沿曲线、计算网格及终止时刻压力场分布,确定了排气孔位置,计算结果与其它研究结果吻合良好。结果表明:贴体坐标/有限差分法和网格分区划分法适合解决复杂边界及可移动边界问题。     

视窗化RTM工艺充模过程模拟仿真技术研究

根据RTM工艺树脂流动充模模型,研究和开发了基于FEM/CV算法的RTM工艺复杂渗流充模过程数值模拟软件平台-BHRTM-2。BHRTM-2在视窗系统下运行,带有FEM网格捕捉器窗口可直观方便地设置注射口、溢料口和工艺参数,操作简单,能够模拟复杂边界制件的树脂流动充模过程、显示充模过程中任意时刻模腔内压力的分布场、流动前峰和预测充模时间及可能的干斑缺陷位置,为RTM工艺设计与优化提供了有效技术手段。文中对BHRTM-2的模拟结果的正确性和可靠性进行了理论与实验验证,并给出了具体算例。      

热固性树脂基复合材料固化过程的三维数值模拟

针对热固性树脂基复合材料成型工艺的固化过程建立了数学模型,并采用有限单元法进行了三维瞬态数值分析。编制了有限元模拟程序CURESIM,通过具体数值模拟算例,表明本文中所建立的分析模型及算法具有较高的可靠性。模拟的固化过程并不特指某一成型工艺,因而模拟的数值方法具有一定的普遍性。模拟程序可以计算得到任意时刻复合材料内温度及固化度分布,通过数值模拟可以有效地优化固化加热工艺参数,提高产品质量。      

Numerical simulation of molding-defect formation during resin transfer molding

The present study investigated a numerical simulation of molding-defect formation during resin transfer molding using boundary element method and line dynamics. The proposed method enables to simulate small molding defects by increasing the node for required position during time evolution; thereby, the method computes high-resolution flow front without being affected by the initial mesh geometry. The method was applied to the radial injection RTM with single inlet, and it was confirmed by comparison with theoretical value based on Darcy’s law that the flow advancement was computed with high accuracy. In addition, the method was also applied to the flow advancement for inclusion problem with cylinder, and four-point injection problem. The simulated flow behavior, void formation, and shrinkage agreed with the results in references. Finally, the method was compared with experiments using two-point injection problem. The computed configuration of the flow front and weld line agreed well with the experimental results.     

等轴晶移动对宏观偏析影响的数值模拟

建立了自由等轴晶移动对宏观偏析影响的数学模型,对铸锭凝固过程中的对流和溶质分布进行了数值模拟.在模型中按照临界固相分数将糊状区分为紧密树枝晶和自由等轴晶两个不同的区域.对带冒口铸钢锭的宏观偏析进行了数值模拟,并同实验结果进行了比较.与假设糊状区内固相静止的模型相比,考虑等轴晶移动的模型得到的溶质分布结果与实验结果更接近.在凝固过程中,等轴晶随液体流动并在铸锭的底部中心聚集,在凝固后的铸锭中形成锥形的负偏析.还发现,在铸锭的中心靠上的区域形成正偏析,在铸锭的外部区域形成负偏析.     

树脂传递模塑过程的数学描述和数值模拟进展

树脂传递模塑(resin transfer molding,RTM)过程的数值模拟对于优化工艺参数和模具设计、控制制品质量等具有重要意义.本文简述了RTM工艺的流体流动特点,介绍了RTM工艺过程数值模拟的理论基础,综述了RTM工艺过程数值模拟的发展历程,并展望了其发展趋势.     

基于分数步长法的压铸充型过程数值模拟

为了模拟型腔内流体的流动形态并预测气孔缺陷,应用充型过程数值模拟方法,采用分数步长法来求解非稳态的Navier-Stokes方程,可以在每个时间步长内仅求解一次动量和压力方程.动量方程求解中采用Adams-Bashforth方法处理对流项,采用Crank-Nicolson方法处理扩散项.搭建了压铸过程水模拟系统,设计了型腔尺寸沿充填方向逐渐递减的有机玻璃模具.通过彩色高速摄像机以500帧/秒的速度记录充填形貌.将数值模拟结果和水模拟结果相比较,两者吻合较好.同时采用SOLA-VOF法模拟了同一充型过程,结果表明,分数步长法和VOF法相结合要比SOLA-VOF法更能准确地预测压铸过程中的卷气现象.     

微重力条件下分离结晶过程中熔体热毛细对流的数值模拟

用有限差分法对微重力条件下分离结晶生长中的熔体热毛细对流进行了数值模拟,熔体的深径比A取1和2,自由界面无因次宽度B取0.05,0.075和0.1;得到了分离结晶Bridgman生长过程中熔体热毛细对流的流函数分布和温度分布图,研究了流型的演变过程和流动的失稳机制.结果表明:当Marangoni(Ma)数比较小时,流动为稳态流动并只存在于自由界面附近,随着Ma数的增加,流动增强并逐步向熔体内部扩展,熔体内部温度分布的非线性性增加,自由界面速度增大;Ma数超过某一临界值后,流动转化为非稳态流动;流动失稳的物理机制是流速的变化和阻力的变化之间存在滞后.     

Numerical study of resin transfer molding (RTM) curing process

It is a very important phase in resin transfer molding (RTM) process that resin is cured. The result of the curing process determines the quality of a part, including mechanical properties, lifecycle of the part under high temperature and chemical properties. Therefore, it is very meaningful to discuss the curing process. In our work, the code is prepared based on unstructured mesh using divergence theorem. A case is used to verify properness of the code and the results are in good agreement with the published experiment data. In the paper, some factors of materials and numerical calculation, e.g., time step, reaction heat, the whole heat conductivity of fiber and resin and fiber initial temperature, which affect result of simulation, are emphatically investigated and carefully revealed. The conclusion shows that time step, the reaction heat and heat conductivity have an important effect on the curing process, while fiber initial temperature has very little impact. These are helpful to understand and adopt the curing process in order to produce good products.     

充型过程的数值模拟及水力模拟实验验证

为了提高充型模拟的计算精度，改进和修正了传统的用于模拟自由表面的“施-受体”算法，针对体积函数提出了新的处理自由表面的“三维施-受体”算法，为了检验新方法，对同一方形验证铸件设计了两种不同浇注系统，并对其同时进行了水力模拟实验和数值模拟计算，数值模拟计算结果与水力模拟实验结果一致，研究表明：浇注系统几何形状对充型模式有重要影响；“三维施-受体”算法减少了计算误差，提高了计算精度，不仅能够准确地预测浇注系统对充型模式的影响，而且在评估和辅助浇注系统设计方面具有巨大潜力。     

Pb-Sn合金侧向凝固过程A偏析的数值模拟

基于二元系凝固过程热溶质的传输行为,建立了描述A偏析形成及演化的数学模型,给出了固相分数与温度场及浓度场的耦合关系.先用已有的实验结果验证了模型的正确性,然后模拟计算了Pb-Sn合金侧向凝固过程A偏析的形成及演化过程,并研究了浮力数对A偏析形成位置及偏析程度的影响.结果表明,在糊状区中双扩散对流引起的密度变化,导致局部流动,形成偏析通道;为了维持偏析通道中局部液体的流动,枝晶间的液体通过糊状区从液相区得到补充.在相同的凝固条件下,浮力数越小,A偏析的形成时间愈迟,偏析的程度也越小.     

垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体的径向溶质偏析之有限元分析法模拟

运用有限元分析软件Comsol Multiphys-ics,结合晶体生长固液界面曲率分析法,模拟了垂直布里奇曼法生长Cd0.9Zn0.1Te（CZT）晶体。研究了固液界面处曲率变化对于溶质径向偏析的影响,揭示了界面曲率与溶质偏析的内在关联性,并计算了数值。分析了3种晶体生长方式：（1）坩埚匀速生长;（2）两阶段坩埚变速生长;（3）坩埚回熔生长分别对于溶质偏析的影响。采用扫描电子显微镜SEM中的能谱仪EDX测量3种工艺的Zn组分分布：（1）模拟值比对实验结果发现可以运用固液界面的曲率平均值来推算溶质径向组分偏差的大小;（2）模拟推算的溶质径向偏差值更加接近于实验所得的溶质组分偏差最大值;（3）坩埚回熔生长法生长晶体的固液界面的波动性小,界面稳定性最好,溶质径向组分偏差也最小。     

薄膜生长的计算机模拟

建立了一个比较合理的三维模型,并通过模拟成像和定量计算研究了薄膜生长过程中的两个重要问题,早期成核与表面粗糙度.结果表明,薄膜的长生过程是原子吸附、迁移、脱附、连带等微观过程的积累.随着衬底温度的升高或入射率的降低,沉积在衬底上的原子逐步由各自独立的离散型分布向聚集状态转变形成岛核,并由二维岛核向三维岛核转变.衬底温度越高、入射率越低,成核尺寸越大.存在一个最佳成核温度,成核率出现一个极大值.随着衬底温度的升高,薄膜的粗糙度先降低后来又增加.存在一个生长转变温度Tr,薄膜的粗糙度达到极小值.当衬底温度小于Tr时,入射率越大,薄膜的粗糙度越大.当衬底温度大于Tr时,入射率越大,粗糙度越小.薄膜生长的主要微观机理是原子热运动对薄膜生长的影响.