碳纖維復(fù)合材料二步法三維編織變截面薄壁殼體

摘要：采用分段一集合計算方法，對二步法三維編織變厚度變截面薄壁殼體RTM充模工藝過程進行了較深
人的理論研究。提出了較準確的樹脂流動速度、樹脂充模時問和樹脂流動壓力計算方程。數(shù)值預(yù)測值與充模試風(fēng)電材料設(shè)備
驗結(jié)果具有良好的一致性，所推導(dǎo)理論方程為合理設(shè)計RTM充模土藝參數(shù)提供了理論依據(jù)
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；二步法三維編織；RTM；分段一集合計算方法；cfrp.cn中國碳纖維網(wǎng)

NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY OF RESIN FLOW IN RTM
PROCESSING FOR TWO STEP 3D BRAID SHELL PREFORM WITH VARYING SECTION
ZHANG Guoli，Lilu，I_I Xueming
(Composites Research Institute of Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160，China)
Abstract：hhc filling process of RT M for the two step 3D braid shell prcform with a varying section. was investi gated theoretically by employing a calculating method of divide-integratim．Several formulation、related to the resinvelocity，resin filling time and resin flow pressure were proposed accurately. Good agreement was found between the experimental results and numerical predictive values. The deduced formulations could provide the theoretical basis for suitably designing RTM filling parameters. 本文來自123
Keywords:composites; two. step 3D braiding；RTM；divide-integration method；numerical simulation

采用增強纖維三維空間交織成整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三維整體編織（或機織）預(yù)成型體，通過合理選擇不同的增強纖維、樹脂基體和交織結(jié)構(gòu)，可制造具有整體機械性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、耐熱燒蝕、耐低溫和優(yōu)良的介電性能的新型結(jié)構(gòu)和功能三維編織（或機織）復(fù)合材料。目前三維整體編織（或機織）變截面薄壁殼體RTM成型復(fù)合材料已替代傳統(tǒng)的21)織物鋪層殼體復(fù)合材料川，成為運載火箭殼體、復(fù)合裙、雷達天線罩等構(gòu)件的首選承載結(jié)構(gòu)之一。由于此類型殼體結(jié)構(gòu)件尺寸大、纖維體積含量高、型面曲線和壁厚公差要求嚴格川，采用金屬閉模RTM成型工藝進行加工時，提高樹脂對纖維預(yù)制件的宏觀和微觀浸滲程度川，是確保復(fù)合材料質(zhì)量和性能的技術(shù)關(guān)鍵。為解決RTM工藝充模過程中樹脂流動規(guī)律的可預(yù)見性和可控制性的技術(shù)難題，國內(nèi)外研究者多采用有限差分法、有限元控制體積法川、邊界元法和貼體坐標法等數(shù)值模擬技術(shù)，實時地對形狀簡單的模腔內(nèi)樹脂流動形狀和位置、樹脂流動速度場、壓力場和溫度場的分布進行預(yù)測，以上數(shù)值方法往往程序編制復(fù)雜，計算機模擬計算耗時較長五月。本文作者采用分段一集合計算方法對RTM工藝充模過程中樹脂流動進行了理論分析和試驗研究，獲得了典型三維整體編織變截面薄壁殼體樹脂流動規(guī)律，為優(yōu)化工藝設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。

123,123

1 數(shù)學(xué)模型的建立
1.1分段一集合計算方法的基本原理
RTM充模的實質(zhì)是液體樹脂飽和充滿纖維預(yù)制件孔隙并排除其內(nèi)部所含空氣的過程?？紤]到三維整體編織變截面薄壁殼體的厚度與其直徑和高度相比，數(shù)量級較小，且薄壁殼體KTM模具樹脂流道的設(shè)計一般采用環(huán)線注射結(jié)構(gòu)方式，因此樹脂充模過程中的流動規(guī)律可近似為多孔介質(zhì)中的一維滲流，即在柱面坐標系統(tǒng)（廠，夕，z)中，壓力和速度值僅沿z方向變化。分段一集合計算方法是根據(jù)制件截面形狀方程的種類數(shù)，沿軸線將殼體分成若干單元．利用Darcy分鐘定律依次計算出各單元段內(nèi)樹脂流體的運功狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換，求得變截面薄壁殼體內(nèi)不同位置的樹脂流動速度場、壓力場、位移場和充模時間的分布規(guī)律。為簡化薄壁殼體樹脂流動的理論分析與計算，作如日限設(shè)：充模過程中三維編織頂制件不會發(fā)生纖維移動和變形；充模過程中不考慮由于化學(xué)反應(yīng)所引起的粘度變化，樹脂的粘度值為一定值；充模過程中僅考慮宏觀樹脂流動現(xiàn)象．慣性和毛細作用忽略不計；樹脂注人壓力為Po(zo)。行流動前沿處壓力為0. 本文來自123







2 試驗
2.1三維編織變截面薄壁殼體預(yù)制件的編織風(fēng)電材料設(shè)備
采用二步法三維編織工藝，在組合式編織機上，根據(jù)圖2所示的變截面薄壁殼體預(yù)制件的形狀結(jié)構(gòu)和尺寸大小．在芯模的周邊上合理配置所需數(shù)FAVI紗和編織紗，軸向紗和$Tu織紗均使用號數(shù)為1200Tex無捻E一玻璃纖維，并利用增、減紗線工羅習(xí)實現(xiàn)三維編織薄壁殼體預(yù)制件截而厚度尺寸的大小，三維編織工藝參數(shù)如表1示。山于變截面薄壁殼體沿二軸方向具有四種截面形狀函數(shù)方程，因此在數(shù)俏模擬理論計算過程中可將兩壁殼體分成。

2.2 RTM充模理論計算與試驗驗證
2.2.1 RTM充模理論計算
利用復(fù)化辛卜生數(shù)值積分算法和Fortran 99算法語言，對所推導(dǎo)的理論方程(8)、(9)和（11)進行編程和數(shù)值計算。由方程(11)可知，在樹脂粘度保持恒定及樹脂流動前沿位置固定的R丁M充模工藝條件下，注射口壓力和三維編織變截面薄壁殼體預(yù)制件滲透率與空隙率（婦的乘積值確定了樹脂充模溢流時間的大小。圖3(a）表示在不同注射口壓力條件下滲透率與空隙率的乘積值對樹脂充模溢流時間的影響。圖3(b)表示在不同的滲透率與空隙率的乘積值條件下注射口壓力大小對樹脂充模溢流時問變化規(guī)律的影響。圖4表示在注射r1壓力分別為420 kPa和620 kPa的恒壓條件下，三個固定位置上（z=100 mm,z2=160 min、=260 mm)壓力理論值p(z1)p(z2)和p(z3)與樹脂流動前沿位置對應(yīng)關(guān)系曲線。山圖4可知，樹脂飽和浸潤區(qū)」或內(nèi)固定點壓力隨樹脂流動前沿位置遞增而增大。
2.2.2試驗驗證
由方程(8)和(9)可知，固定位置樹脂流動壓力 123456







值取決于樹脂流動前沿位置和注射日壓力的大小。為了驗證所提出的三維編織變截面薄壁殼體RTM工藝樹脂充模流動分段一集合理論計算方法的正確性，對表1所示的三種規(guī)格的三維編織變截面薄壁殼體進行了RTM充模試驗。試驗選用TDE-85/DDS／BF,乙胺環(huán)氧樹脂體系，以100：15：1.5的質(zhì)最比例混配成所需的膠液，在35分鐘C經(jīng)測試，樹脂粘度為428.6 mPa·s（樹脂粘度測試標準為GB7193-1），固化后其澆注體密度為1. 302 g/crn分鐘（密度測試標準為GB 1033-70)。為準確測量樹脂充模溢流時間，本試驗中采用透明有機玻璃材料加工RTM模具出料口端蓋，并且在模具內(nèi)部相應(yīng)的位置點上安裝壓力傳感器以測量樹脂溢流后固定位置上的樹脂流動壓力。樹脂充模溢流時間理論計算值與實測結(jié)果的比較、三個固定位置上樹脂流動壓力理論計算值與實測結(jié)果的對比如表2所示。由表2所列樹脂充模溢流時間理論計算值與實測值的比較值可知：當(dāng)K矛值較大時，樹脂充模溢流時間理論計算值具有較高的預(yù)測精度場K淤值逐漸減小時，樹脂充模溢流時問逐漸增大，并且理論計算值與實測值的相對誤差逐漸增大，這主要是由于過長的充模時間引起樹脂粘度增加所致。 123456
由表2所示的理論預(yù)測、實測值數(shù)據(jù)的比較結(jié)果可知，當(dāng)樹脂溢流后，隨著三維編織變截面壁殼體預(yù)制件纖維含量和粘滯性樹脂流體浸潤高度的增加，流動阻力的累加效應(yīng)會造成壓力損失程度的提高，因此樹脂流動壓力逐漸減小，理論預(yù)測值與實測值的誤差會相應(yīng)增大。

3 結(jié)論
在一維Darcy分鐘s定律和連續(xù)性定律基礎(chǔ)上，對三維編織變厚度變截面薄壁殼體RTM充模工藝過程中樹脂流動速度、樹脂充模時間和樹脂流動壓力進行了較深人的理論和充模試驗研究，對比分析理論方程、計算數(shù)值和充模試驗結(jié)果可知：定壓注射、恒定粘度RTM充模過程中，飽和浸潤模腔內(nèi)任意點樹脂滲流速度和流動壓力隨其截面形狀函數(shù)的大小和樹脂流動前沿位置而變化，并且流動阻力的累加效應(yīng)所造成的壓力損失程度隨纖維含量和粘滯性樹脂流體浸潤高度的增加而增加。 copyright 123456
(1)通過考慮樹脂流動重力影響因素，利用分段一集合計算新方法，有效地提高了RTM數(shù)值模擬計算精度。
(2)利用Fortran 99算法語言和復(fù)化辛卜生數(shù)值積分算法，對所推導(dǎo)樹脂充模時間和樹脂流動壓力理論方程進行數(shù)滇計算，與RTM充模工藝試驗結(jié)果比較證明理論預(yù)測值與實驗值吻合較好．
(3）對于加工特定結(jié)構(gòu)的三維編織變截面薄壁殼體復(fù)合材料制件，借助于方程(7）、（8）、（9）和(11)的理論頂測結(jié)果，可合理設(shè)計RTM充模工藝參數(shù)。

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