RTM工艺充填过程的动态仿真.pdf

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1、工程塑料应用2011年，第39卷，第5期RTM工艺充填过程的动态仿真木余晓容卜建辉申长雨(郑州大学橡塑模具国家工程研究中心，郑州450002)摘要建立了树脂传递模塑成型(RTM)工艺充模过程的数学模型，并采用有N-~L／控制体积法实现了对复杂薄壁构件的充填模式、压力场和速度场的动态仿真。算例表明，该法可以快速有效地描述RTM工艺的充填过程。关键词复合材料树脂传递模塑成型数值模拟有限JL／控制体积法树脂传递模塑成型(RTM)工艺是在一定温度换；②纤维布和树脂的密度保持不变，即充模过程是及压力下将低粘度的树脂注人预先置有增强纤维的不可压缩的；

2、③树脂是牛顿流体，即粘度不随剪切速模具中，然后固化成型的一种树脂基复合材料的液率变化；④忽略惯性作用，由于注射速率比较低，这体成型方法⋯。该工艺以其效率高、投资低、工作是合理的；⑤表面张力与粘性力相比忽略不计；⑥重环境好、能耗低、工艺适应性强等一系列优点，广泛力与粘性力相比可以忽略不计；⑦把充模过程看成应用于建筑、交通、电讯、航空、航天等领域。是一个物理过程。由于理想的RTM成型材料体系RTM_32艺中纤维／树脂的浸润是由低粘度的树是固化反应能在模具被物料充满后才开始发生，并脂在闭合模腔中流动并渗入增强材料预成型体，最在很短的时间完成。而

3、在充模过程中使流体粘度较终排除增强材料织构中的气体而完成纤维／树脂的低并保持恒定，这是可以做到的。浸润，具有较高的技术应用难度。所以，虽然国内引1．2守恒方程进RTM工艺设备始于20世纪80年代，但是RTM根据以上的假定，树脂流过纤维预制体的过程制品的产量还很低，该工艺在国内还处于初级阶相当于不可压缩流体通过多孔介质的过程。因此段。高效生产质量稳定的树脂基复合材料的关RTM工艺中，充模阶段的物理过程遵循平面内不可键技术在于模具及工艺方案设计的合理性。传统的压缩物质的质量守恒定律，并可采用Darcy定律描设计方法是经验加试错法，这对于生产板

4、类制品或述动量守恒，流动相的质量守恒方程见式(1)j。许行得通，但是对于具有复杂形状的模具则意味着7·=0(1)多次的试错过程。因此若能在模具和制品生产之式中是表面速度矢量，包括、Y和z三个方向的前，借助计算机仿真技术来预测树脂在型腔内的状速度分量和。态及变化规律，仿真其成型过程，可以充分发挥Darcy定律的张量表达式见式(2)。RTM工艺适应性强的优势，对缩短新产品的研制周五=一[]VP／叼(2)期、降低研发成本和提高产品质量具有重大的意义。其中田为树脂粘度，7P为压力梯度，[]为渗透率笔者针对RTM工艺的特点，建立了RTM_]=艺张量

5、。中树脂充填过程的数学模型，利用有限元／控制体积由(1)、(2)式即可得到树脂浸渍区域中压力场法求解压力场方程，追踪流动前沿，实现了对树脂充的控制方程，见式(3)。填过程的动态模拟，并将其作为郑州大学橡塑模具V·([]VP／)=0(3)国家工程研究中心研究开发的塑料成型计算机辅助同时，由式(2)可以得到表面流率，见式(4)。分析软件Z—MOLD的一个功能模块，实现了模型q=(一h[K]VP·n)／-q(4)建立、参数设定、数值分析和结果显示的一体化。利式中h为壁厚。用该软件可在产品设计阶段优化模具和工艺设计。1．3渗透率张量的确定1数学模

6、型渗透率是增强材料的固有特性，即增强材料能1．1基本假设够被树脂浸渍的性能。大多数的材料具有一定的孔为了模拟RTM加工过程，需要对RTM加工过程进行简化，因而做了以下的一些简化或假设：教育部科学技术研究重点项目(207065)①在固体(纤维布)和液体(树瞻)之间没有质量交收稿日期：201】．04-0}余晓容，等：RTM工艺充填过程的动态仿真49隙率，渗透率可以表征流体流经孔隙的难易程度。准确的渗透率数据是获得可靠模拟结果的关键。一般用式(5)来描述各向异性多孔介质的渗透率张量。厂kkkx：1[K]=Ikk"kI(5)Lkkkj在正交各向异

7、性纤维预制件中，如果坐标轴与增强材料的流动主轴相对应，则渗透率张量可以简化为对角形式，见式(6)。001[K]=1I0k0I(6)o0Jk、k：和k分别是三个方向上的主渗透率。对于各向同性介质，渗透率张量简化成一个值，即k：k=k2=3考虑到RTM工艺生产的制品通常是类似于壳体的薄壁构件，其中一个方向的尺寸远小于其它两个方向，因此忽略厚度方向的流动，将问题简化为二维问题，此时渗透率张量表达式见式(7)。EK=￡I]㈩lIllII然而一般很难找到一个共同的主坐标系使每一}a,216／'23l{P}={q}c(10)单元的渗透率张量都为对角形

8、式(如渗透率的张量Ir上3l032o33-JlILP—3JIIq3JI由于增强材料的变形或者预制体铺层的改变而变化)，此时渗透率张量的分量可通过一个转换矩阵对主值进行变换，见式(8)。0：fv