復(fù)合材料RTM工藝充模過程數(shù)值仿真與缺陷預(yù)測研究.pdf

1、樹脂轉(zhuǎn)移模塑（Resin Transfer Molding,RTM）已經(jīng)發(fā)展成為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的主導(dǎo)工藝技術(shù)之一，該工藝的成型質(zhì)量很大程度上取決于充模階段樹脂對預(yù)成型體的浸潤程度。為解決目前RTM模具和充模工藝參數(shù)的設(shè)計需要進(jìn)行大量試驗(yàn)而帶來的高成本、低效率以及質(zhì)量難以保證的問題，本文在分析國內(nèi)外有關(guān)RTM工藝數(shù)字化技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，對影響RTM工藝的預(yù)成型體幾何結(jié)構(gòu)、滲透率、充摸過程和缺陷形成進(jìn)行了深入研究，并針

2、對計算機(jī)輔助工藝過程分析的實(shí)際需要，將本文的研究成果應(yīng)用于開發(fā)的RTMSimu系統(tǒng)中。
　　預(yù)成型體的幾何結(jié)構(gòu)是影響RTM工藝參數(shù)的主要因素，建立預(yù)成型體幾何模型是進(jìn)行工藝仿真和成型缺陷預(yù)測的基礎(chǔ)。本文在詳細(xì)分析RT M織物預(yù)成型體多尺度結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，建立了三個尺度下的幾何模型。在微觀尺度，基于Monte Carlo隨機(jī)運(yùn)動法獲得了纖維束前后兩個截面不同的單絲分布，通過拉伸操作建立了纖維束初步模型，采用Bezier曲線理論對單

3、絲中心線進(jìn)行校正后，建立了同時包含軸向和徑向隨機(jī)性的微觀纖維束模型。在細(xì)觀尺度，分析了單胞內(nèi)紗線的截面及彎曲狀態(tài)，采用最小勢能原理求解了單胞的幾何參數(shù)，分析了單胞剪切和壓縮變形過程，建立了預(yù)成型體單胞不同變形狀態(tài)的幾何模型。在宏觀尺度，提出了基于幾何信息的鋪覆仿真算法，基于曲面切向量、法曲率等幾何信息進(jìn)行織物節(jié)點(diǎn)位置的求解，建立了二維織物在復(fù)雜曲面上的鋪覆模型。
　　預(yù)成型體滲透率是RTM充模過程仿真的關(guān)鍵參數(shù)，表達(dá)樹脂在預(yù)成型體

4、內(nèi)流動的難易程度。本文以上述預(yù)成型體多尺度幾何模型為基礎(chǔ)，研究了微觀纖維束和細(xì)觀單胞的滲透率仿真預(yù)報方法。通過對纖維單絲間樹脂流動進(jìn)行仿真，預(yù)報了纖維束滲透率，結(jié)果表明，單絲的隨機(jī)性分布對微觀滲透率有一定的影響。建立了單胞內(nèi)樹脂雙尺度流動的數(shù)學(xué)模型，研究了紗線卷曲和相互擠壓對微觀滲透率分布的影響，基于有限差分法建立了樹脂流動控制方程的數(shù)值求解方法，求得了單胞內(nèi)樹脂流動壓強(qiáng)和速度場，進(jìn)而獲得了單胞滲透率預(yù)測值。在正交單胞滲透率預(yù)測方法的基

5、礎(chǔ)上，采用貼體坐標(biāo)法完成了剪切變形后流動控制方程從物理域到計算域的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了剪切單胞滲透率的預(yù)報。研究了單胞滲透率隨剪切和壓縮變形的變化規(guī)律。通過與文獻(xiàn)預(yù)測數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)值對比，證明了本文預(yù)測模型和求解方法的正確性。
　　針對樹脂空氣兩相流難以直接求解的問題，研究了基于VOF（Volume ofFluid）多相流技術(shù)的RTM工藝充模過程仿真算法。通過在Navier-Stokes方程中增加流固阻力項(xiàng)的方式建立了RTM充模過程樹脂流動的

6、數(shù)學(xué)模型，基于VOF技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上述模型的數(shù)值求解，算例表明上述算法具有較高的精度。針對帶有預(yù)成型體變形的RT M工藝，為了避免對樹脂流動/預(yù)成型體變形耦合方程的直接求解，建立了基于動態(tài)網(wǎng)格模型和主從單元法的充模過程全三維仿真算法，實(shí)現(xiàn)了基于黏彈性模型的預(yù)成型體變形計算，提高了仿真精度。算例表明上述算法能夠?qū)崿F(xiàn)充模過程中流場區(qū)域的動態(tài)更新和順序注射策略的仿真。
　　對RTM成型缺陷進(jìn)行預(yù)測是充模過程仿真的一個重要任務(wù)。干斑是RTM工

7、藝的主要缺陷之一，本文對干斑的形成以及演變過程進(jìn)行了分析，基于VOF方法仿真了干斑的形成過程。研究了充模過程中的氣泡產(chǎn)生機(jī)理，建立了氣泡預(yù)測模型，該模型通過對比紗線內(nèi)外的樹脂流動速度來判斷空氣裹入的位置及其尺寸。重點(diǎn)分析了樹脂流動方向和織物剪切變形對單胞浸潤的影響，研究了氣泡位置和尺寸隨流動方向和剪切角的變化規(guī)律。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述模型的正確性。
　　基于本文的研究成果，開發(fā)了RTM充模過程數(shù)值仿真系統(tǒng)（RTMSimu）。在數(shù)據(jù)庫