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在树脂传递模塑成型过程中,织物结构和模具曲率对预制物的渗透性以及注入模具时所产生的影响第一部分实验SBICKERTON,EMSOZER,PJ葛兰姆,SGADVANI机械工程部,德拉瓦州,纽瓦克,DE19716的大学,美国1998年10月15日收到此文;以校订的形式收到此文于1999年8月31日;正式承认于1999年9月23号译者潘伟摘要液体复合材料成型工艺LCM需要聚合树脂注入到由玻璃纤维,碳纤维或克维拉纤维组成的多孔预制物里使这个混合物质制作成功的方法需要依靠把模腔里的空气从内部顺利的排除干净。而数字模拟作为一种非常有效的设计工具,被大量运用于模仿这种工艺工程。这种模拟的精确性很大程度上取决于预制物通过模腔的渗透张量的数据描述,同时也是阻碍树脂流动的详细说明。修改模具和预制物的结构,可以很简单的改进局部的流动性。模腔内的边角是造成预制物变形的潜在部位,也是必须关注学习的地方。现已经研究过5个同类型的边角半径尺寸从006到8英寸之间的模具。为了研究模具的边角半径对连续流体峰面和注射压力的影响,一个可视流动扫描的详细研究已经完成。尽管流体峰面没有显著的受到各种尺寸的边角半径影响,仍然会发现在模腔边角半径较小处注射压力的影响比较大。事实上人造混合物在同样的模具中也显示出,模腔原先预想的相同厚度也与实际的不一致。确定边角半径在模具填充时的重要性,需要区分预制物内部压力的影响与边角影响的不同。为了达到这个目标,实验数据记录在第1部分,并且将与记录在第2部分的是详细数字研究做比较。关键词液体复合材料成型工艺;结构反应注射成型法1.介绍液体复合材料成型工艺(LCM)作为常用的复合材料制造技术广泛的使用到民用,太空,汽车和国防工业。这些工艺拥有很多优点,包括益于成型,低注射压力,较短的加工周期,以及要求简单的加工工具。LCM工艺拥有制作低成本,高质量复杂几何外形组合零件的可能性。树脂传递模塑成型法,结构反应注射成型法(RTM),西曼复合材料公司树脂渗透成型法(SCRIMP),和压缩注入成型法都是LCM工艺方法的多种变异。一般来说,LCM工艺被描述为以下内容首先,人造纤维预制物将作为增强材料。LCM工艺最主要的一个优点就是可以精确的按零件的需要调整预制物,从而达到铺垫增强的要求。纤维预制物由很多种结构包括玻璃,碳或者克维拉纤维组成。纤维预制物将会提供最终结构的主要属性部分。预制物被放置于封闭模具的模腔里。接下来,聚合树脂将被注入到模腔里面,浸透预制物并排除空气。不管是在完成模腔的填充还是在浸透的某些期间,固化过程就已开始了。在所有部分的都明显固化以后,最后的产品就可以从模具中拿出了1。一个通过LCM工艺制作成功的零件能对预制物,浸透,还有固化阶段做出敏感的反映。这篇文章主要关注在模具边角处预制物的变形,及它对后面浸透阶段的影响。微小和较大空隙的缺陷导致了模具填充的失败。2,3微小空隙归因于微小气泡被截留和包围在预制物的纤维束里。这些空隙是很难彻底清楚干净的,但是必须要做到把这个缺陷降低到最小程度。4较大空隙归因于错误的注射方法导致模腔里面截流了较大的气穴(例如错误的放置注射的出入口)。通常地这些空隙将会造成零件的一部分不能使用,并且这部分由干燥的预制物组成的零件也缺乏结构硬度。这部分工作的目标就是研究模腔中的边角的不同半径尺寸会对树脂的流体峰面的前进,和可能会促使较大气穴的产生有大影响。LCM填注工艺是典型的使用达西定律的数字模型,它将渗透性把模具的压力剃度与阻碍预制物流动量的数据测量想联系。最近几年,很多成就都放置到达西定律的发展中并且是基于LCM填充工艺的数字化工艺模拟511。这些模拟可以预示只要我们拥有材料特性的特性,就可以让流态和压力分散作为主要的渗透率张量的组成部分。很多发行的文章已经提到渗透性的测试和渗透性分析预测1215。尽管大量的努力被作用于广泛的预制物类型种类和它们压力结构下的变化这两个领域,但是渗透性全面数据库的形成还是有很大的阻力。预制物的渗透性都要大大受到如流道16,17,多层的预制物18,预制物压缩19,和预制物受的剪断17,20,还有其他因素等次生效应的改变。这个工作的目标是测定模腔不同半径角对LCM模具填充工艺的巨大影响。如果模具的边角起的影响是比较大的,那么模具就应该改进的渗透性在这些区域变化。如果影响显示的是无足轻重的,那么渗透率当量就测定模具里能够使用于这些边角区域的扁平部分。边角环流的初步研究已经被弗里德等人介绍过了21。十分详细的实验和模拟已经被预制,但是这些证据并没有清楚的显示模具边角效应的巨大影响。这个研究的实验部分已经由两部分完成。详细的流量数据实验已经完成并测试在模具填充过程中不同半径对边角效应的自然与重要性的影响。5套边角半径从006到8英寸的模具已经被用于实验。阴模由丙烯酸加工而成,可以使模具的填充直观化。3种不同的预制物类型已经被用于研究多种类的纤维体积容积率。注射压力的历史和流动峰面的发展也已经被记录。实验程序的第2部分主要关注实际上混合的部分在同一模具中形成的产品。许多小的修改被用到模具中,为了在使用树脂的时候起到保护丙烯酸模具的作用。零件都是使用相同流量可视化研究的预制物加工的。这些零件用于两个目的,辨别模腔的几何形状还有提供一些洞察边角处预制物的变形状况。实验研究性的结果出版于这个文章里。由于模腔实际的几何形状影响,所以将会介绍两种预制物的变形。因为两种模腔的一部分拥有明显的不同厚度,影响将会由预制物的压制而辨认出,并且和那些归因于边角半径的影响所联系。接下来的文章将会提到详细的数值的研究,这些研究可以帮助辨认两种变形类型的影响。这也是评估LCM填充工艺里模具边角半径重要性的依据。2.实验过程详细的流量可视化实验已经被执行了,并且提供了广泛有用的数据进行数字模拟,这些内容将会出现我们的第二篇文章里面。实验性的注射压力测试历史可以介绍三种预制物类型和不同的体积分数。录象抓拍可以提供经过挑选的实验。被用于设计可视化流动的模型,已经进行过修改而可以用于使用相同预制物或者乙烯基酯树脂所组成的实际零件的加工。这些零件也已被分析过而用来提供详细的关于模型使用的信息,它们的结构和体积分数的信息,并且有助于进一步了解织物是如何压制覆盖到曲面上的。2.1模型详细数据美国军方实验室做了5个同类型的RTM可视化流量模型的研究。这些模型最初设计的目的是用于研究模具填充过程的边角效应,在模具里面不同边角半径的影响。模腔的详细尺寸将会由这些在模型内部成型的复合物所获得。5个模型里面的3个拿出来发现模腔厚度不是恒定的,并且模具里的平面与斜面的厚度不同的情况更明显。半径和厚度的数据会出现在这一章节。同一模具的模腔内的厚度不是恒定的,同样模具与模具之间也是不一样的。因此就需要考虑预制物在平面部分的压制,和模具曲率的影响。这些模具中的1个(模具A)被标记为数字1。这个模具是由铝合金制作而成,并且每种模具都是使用O形沟槽圈进行密封的。每个模具都有3个注射入口或出口,分别在脊部中央,任一顶部或者底部。这些出口在插图2有显示。模具的阴模已经由丙烯酸加工而成,并且使用了透明的盖子,这样就可以使模具中的连续波动峰面得到监视。由于丙烯酸相对较低的硬度,所以把偏转调到最低程度。如果这些是没有考虑到假设的模腔厚度与实际情况下的不一样。因为渗透性的执行对体积比有很高的敏感性,所以模腔厚度,模压还有联系波动峰面可易被彻底改变。为了对数据模拟与实验结果有比较,所以比较好的数据对模腔厚度和其他实验参数是必须的。为了降低模具偏离对这个实验研究的影响,就采用了4个尺寸为2英寸X0375英寸的金属加强筋来加强丙烯酸阴模的强度。不太好的地方是这几根加强筋影响了可视流量设备的观察。这几根加强筋不仅用于可视流量设备的观察,也用于复合部分的加工。这几根加强筋可以在插图2上的试验设备的俯视图上看到。在复合部分加工的时候我们可以精确的描述模腔,在插图3数据图表表示的是模具横截面还有定义重要部分的半径尺寸与模腔厚度。模具A到D都有相同的几何结构,但是模具E已它们不太一样的地方时,有一个非常大的半径,模具E也可以在插图3上看到。模具半径和厚度的详细记录在表格1上,并且记录了模具A到C上T2的减少量。3.流量可视化研究一个详细记录流量可视化研究已经被执行,同时5个模具的比较实验也已经完成。一套关于3种不同预制物类型的实验已完成,它们分别是一股连续垫子,一种炭化纤维织物结构的织物,一种玻璃纤维结构的织物。3.1实验的结构和程序实验系统用于控制所有流量可视化设备和渗透性测量,并被描绘在插页4上的图表数据上。A电脑基本数据采集系统被用于提供模具里面注射的连续流量。流量控制系统受到IBM公司的电脑控制,其使用的是仪器编程的数据收集软件22。数据接受
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