缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料VARTM工艺树脂充模的影响.pdf

第 32 卷第 2 期高分子材料科学与工程Vol 32 No 2 2016 年 2 月 POLYME MATE IALS SCIENCE AND ENGINEE INGFeb 2016 缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺树脂充模的影响 王科 1 赖家美1 鄢冬冬1 柳和生1 黄志超2 1 南昌大学 机电工程学院 聚合物成型研究室 江西 南昌 330031 2 华东交通大学 载运工具重点实验室 江西 南昌 330013 摘要 对不同缝合参数的缝合泡沫夹芯结构复合材料真空辅助树脂传递模塑成型 VA TM 工艺进行数值模拟 研究了 针距 行距 缝针直径 芯板厚度及纤维面板厚度等缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺树脂流动充填 的影响 结果表明 改变缝合行距对树脂的流动充填速度影响不大 缝合行距越大 树脂在下层纤维面板流动的同步性 越差 制品出现空隙及干斑的可能性越大 缝合针距越小 树脂完成充填的时间越长 分别增加缝针直径和泡沫芯板的厚 度 树脂完成充填时间呈线性增长 缝针直径越大 下层纤维面板树脂浸润效果越好 纤维面板厚度增加 树脂完成充填 的时间变长 且相对于其他缝合参数 纤维面板厚度对树脂流动充填时间影响最大 缝合针距 泡沫芯板的厚度及纤维面 板的厚度都不影响树脂在下层纤维面板的浸润效果 关键词 缝合参数 缝合泡沫夹芯结构 真空辅助树脂传递模塑成型 复合材料 数值模拟 中图分类号 TQ320 66 9 文献标识码 A文章编号 1000 7555 2016 02 0137 07 doi 10 16865 j cnki 1000 7555 2016 02 025 收稿日期 2015 03 22 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51263015 51265012 人社厅留学人员择优项目 赣人社字 2012 375 号 江西省教育厅资助项 目 GJJ13071 通讯联系人 赖家美 主要从事聚合物基复合材料及其应用研究 E mail laijm 163 com 缝合泡沫夹芯结构复合材料是由高强度 高模量 的纤维面板和轻质的闭孔泡沫芯材复合而成 缝合使 泡沫夹芯结构在垂直于铺层平面的方向得到增强 可 以显著提高泡沫夹芯结构的界面性能和抗冲击性 能 1 2 其结构如 Fig 1 所示 缝合泡沫夹芯结构复合 材料具有轻质 高比强度 高比刚度 同时还具有优良 的抗冲击 抗振动 隔热 隔音等特性 目前已广泛用于 航空 航天 船舶 汽车等方面 3 5 Fig 1Stitched foam core sandwich structural composite 在纤维增强复合材料真空辅助树脂传递模塑成 型 VA TM 工艺中 树脂在预成型体中的流动浸润状 况对最终制品的质量及力学性能有着重要的影 响 6 7 根据达西定律可知 树脂在预成型体中的流 动浸润速度受到树脂黏度 树脂压力梯度 预成型体的 渗透率和孔隙率的影响 且树脂流动速度与预成型体 的渗透率及树脂的压力梯度成正比 与预成型体孔隙 率及树脂黏度成反比 8 一些研究者就缝合参数对缝合纤维复合材料的影 响进行了相关研究 分析得出了缝合参数对树脂在缝 合纤维复合材料预成型体中流动充填行为有重要影 响 9 11 但缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料树 脂流动充填的影响研究还鲜有相关报道 本文对不同 缝合参数的预成型体建立模型并进行数值模拟 之前 本文作者已经就缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺树脂充填数值模拟正确性与可行性进行了具体的 实验验证 12 通过对不同缝合参数对树脂流动充填 过程影响的研究 有利于合理设置芯材结构 获得最优 缝合参数 为制备优良品质的复合材料制品提供理论 依据 1模拟部分 模拟所建立的缝合泡沫夹芯结构模型共分四层 由上至下 最上面一层为导流网 第 2 层和最下层为增 强纤维面板 中间第 3 层为代替缝合后泡沫芯板的 长条 模型 整个预成型体模型如 Fig 2 所示 将建 立的模型进行网格划分 将其导入 PAM TM 并输入 相关 参数进行模拟计算 得出树脂在预成型体中的流动充 填状况及充填时间 2结果与讨论 2 1行距变化对树脂充填过程的影响 为研究行距变化对缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺树脂流动性能的影响 对 4 种不同行距的 预成型体进行充填模拟 相应参数及模拟结果见 Tab 1 Fig 2Finite element mesh for the stitched foam core preform Tab 1Different spacing and predicted filling time No Pitch mm Spacing mm Fiber panel layers Foam core thickness mm Needle diameter mm Filling time on top sheet s Filling time on bottom sheet s 11053102117122 21073102117119 310103102117121 410153102115120 从 Tab 1 可以看出 在其它缝合参数不变的情况 下 改变缝合行距对树脂的流动充填时间影响不大 缝合行距变小 缝合次数增加 预成型体缝针孔洞增 加 树脂充填时间变长 另一方面由于预成型体泡沫芯 板上的缝合孔洞增多 可以使树脂更快地由上层纤维 面板穿过泡沫芯板浸润下层纤维面板 从而缩短树脂 在预成型体的充填时间 最终的效果是改变缝合行距 对树脂在预成型体中的流动充填时间影响不大 虽然缝合行距的改变对树脂流动充填时间的影响 不大 但是行距变化会影响树脂在预成型体中的流动 行为及浸润效果 由 Fig 3 可以看出 树脂在预成型 体下层纤维面板流动前沿呈锯齿状 且随着缝合行距 变大 锯齿深度越大 即不同位置树脂流动的同步性越 差 则在下层纤维面板更容易出现空隙及干斑等缺陷 影响制品质量 故应选取适当行距对预成型体行进缝 合 以减少缺陷产生 Tab 2Different pitches and predicted filling time No Pitch mm Spacing mm Fiber panel layers Foam core thickness mm Needle diameter mm Filling time on top sheet s Filling time on bottom sheet s 14103102119138 26103102109127 310103102105121 412103102101117 831 高分子材料科学与工程2016年 Fig 3 esin flow in bottom face sheet with different spacing 2 2针距变化对树脂充填过程的影响 为研究针距变化对缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺中树脂充填的影响 对 4 种不同针距的预 成型体进行充填模拟 相应参数及模拟结果见 Tab 2 Fig 4Filling time with different pitches 从 Fig 4 可以看出 随着缝合针距变大 树脂完成 充填的时间变短 从 Fig 5 和 Fig 6 不同针距时树脂 在上 下层纤维面板流动充填过程曲线可以看出 针距 变化对树脂在预成型体上层面板的流动充填速度影响 不大 但对树脂在下层纤维面板流动充速度填影响 较大 从 Fig 6 可以明显看出 针距越大 下层纤维面 板完成充填的时间越短 针距越小 缝合次数越多 缝 针在预成型体上 下层纤维面板及泡沫芯板中产生的 针孔越多 所需的充填树脂体积也越多 因此充填完成 的时间越长 树脂在上层面板的流动速度还取决于最 上层的高渗透导流介质 导流网 且相对于缝针产生 的孔隙来说导流网的影响要大得多 故针距变化对树 脂在预成型体上层纤维面板的流动充填速度影响不 大 Fig 7 为 4 种不同缝合针距时预成型体下层纤维 面板树脂充填状况 树脂前沿在下层纤维面板呈锯齿 状 通过对比可以看出 4 幅图的树脂流动前沿基本一 致 因此 针距改变并不影响树脂在下层纤维面板的流 动浸润效果 Fig 5Filling process curves of resin in top face sheet with differ ent pitches Fig 6Filling process curves of resin in bottom face sheet with different pitches 2 3缝针直径对树脂充填过程的影响 预成型体在缝合过程中 缝针会对纤维造成损伤 并且在纤维面板的针孔处会引起树脂的富集 此外缝 针直径的大小还会影响树脂的流动充填过程 为了研 究缝针直径大小对树脂流动充填的影响 对 4 种不同 缝针直径缝合的预成型体建立模型并进行数值模拟 具体方案见 Tab 3 931第 2 期王科等 缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺树脂充模的影响 Tab 3Different needle diameters and predicted filling time No Pitch mm Spacing mm Fiber panel layers Foam core thickness mm Needle diameter mm Filling time on top sheet s Filling time on bottom sheet s 110103101 598114 210103102104121 310103102 5110126 410103103118135 Fig 7 esin flow in bottom face sheet with different pitches Fig 8Filling time with different needle diameters 从 Fig 8 可以看出 随着缝针直径变大 完成充填 的时间变长 且呈线性增长关系 上层与下层完成充填 所需的时间差较稳定 虽然缝针直径变大 在预成型 体泡沫芯板上单个针孔孔隙变大 单位时间穿过泡沫 芯板的树脂量虽然变多 但缝针在芯板产生的总的空 隙变大 也导致充填所需的树脂体积变多 故树脂完成 充填时间变长 Fig 9 为不同缝针直径时下层纤维面板树脂充填 情况 缝针直径越大 树脂前沿锯齿状的深度越小 即 不同位置树脂流动的同步性越好 树脂浸润纤维面板 的效果越好 故在选取缝针直径时 不但要考虑缝针 对纤维面板的损伤 还需综合考虑树脂充填时间及树 脂充填浸润的效果 Fig 9 esin flow in bottom face sheet with different needle di ameters 2 4泡沫芯板厚度对树脂充填过程的影响 缝合泡沫夹芯结构复合材料采用闭孔泡沫作为芯 板 在 VA TM 工艺中树脂只能穿过泡沫芯板中的针 孔缝隙才能流至下层纤维面板 为了研究泡沫芯板厚 度对树脂充填的影响 对 4 种不同厚度的芯板进行充 填数值模拟 方案及结果见 Tab 4 041 高分子材料科学与工程2016年 Tab 4Different foam core thickness and predicted filling time No Pitch mm Spacing mm Fiber panel layers Foam core thickness mm Needle diameter mm Filling time on top sheet s Filling time on bottom sheet s 1101035296115 210103102104121 310103152107126 410103202113132 Fig 10Filling time with different foam core thickness Fig 11 esin flow in bottom face sheet with different foam core thickness 从 Fig 10 可以看出 随着泡沫芯板厚度增加 树 脂完成充填的时间呈线性增长 上层与下层完成充模 所需的时间间隔也较稳定 泡沫芯板厚度变厚 树脂 穿过泡沫芯板所需时间变长 并且完成充填所需的树 脂体积也变多 故随着泡沫芯板厚度增加 树脂完成充 填的时间变长 Fig 11 为不同泡沫芯板厚度时下层纤维面板树脂 充填状况 从图中可以看出 下层纤维面板树脂流动 前沿基本一致 故泡沫芯板的厚度不会影响树脂在下 层纤维面板的浸润效果 2 5纤维面板厚度对树脂充填过程的影响 VA TM 工艺制备纤维增强复合材料时 通常是用 树脂浸润一定厚度的纤维织物 并且缝合泡沫夹芯结 构复合材料制品质量很大程度上取决于树脂浸润纤维 面板效果的好坏 成型后的复合材料纤维面板的质量 越高 复合材料制品抗弯曲 疲劳 冲击等性能越好 因 此有必要研究纤维面板厚度对树脂充填过程的影响 为了研究纤维面板厚度对树脂充填的影响 对 4 种不 同厚度纤维面板进行数值模拟 方案及充填模拟结果 见 Tab 5 从 Fig 12 可得出 随着纤维面板厚度增加 树脂 完成充填时间变长 相对于其他缝合参数 纤维厚度 对树脂充填时间影响最大 Fig 12Filling time with different fiber panel thickness 缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺成型主 要是实现对预成型体纤维面板的树脂浸润 缝合后 141第 2 期王科等 缝合参数对缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺树脂充模的影响 Tab 5Different fiber panel thickness and predicted filling time No Pitch mm Spacing mm Fiber panel layers Foam core thickness mm Needle diameter mm Filling time on top sheet s Filling time on bottom sheet s 1101021027986 210104102120138 310106102143173 410108102163206 Fig 13Filling process curves of resin in top face sheet with dif ferent fiber panel thickness Fig 14Filling process curves of resin in bottom face sheet with different fiber panel thickness 完成充填时间主要取决于树脂浸润面板纤维的时间 从 Fig 13 可以看出 在树脂充填前期 不同厚度纤维 面板预成型体的上层纤维面板的树脂流动浸润情况基 本相同 充填过程曲线重合 这是因为在充填前期 高渗透导流介质 导流网 对树脂流动起主要作用 树 脂在这阶段流动速度较快 故不同纤维面板厚度之间 的差异没有显现出来 随着充填的进行 上层纤维面 板充填过程曲线逐渐出现差异 相对于 Fig 13 从 Fig 14 可以看到纤维面板厚度不同导致下层纤维面板 的树脂流动充填差异一开始就很明显 且在上层纤维 面板充填开始一段时间后下层才开始进行充填 这是 因为树脂是从上层纤维面板流动穿过泡沫芯板流至下 层面板并对其进行充填 因此相对于上层纤维板充填 开始有一个时间的滞后 并且上层纤维面板厚度不同 树脂流至下层纤维的时间也不同 故纤维面板厚度不 同导致下层纤维面板的树脂流动充填的差异一开始 Fig 15 esin flow on bottom face sheet with different fiber panel thickness 就很明显 Fig 15 为不同纤维面板厚度时下层纤维面板树脂 充填状况 通过对比可以得出各图的树脂前沿基本一 致 故纤维面板的厚度也不会影响树脂在下层纤维面 板的浸润效果 3结论 通过对不同参数的缝合泡沫夹芯结构预成型体 VA TM 工艺树脂充填进行数值模拟 得出以下结论 1 改变缝合行距对树脂的流动充填速度影响不 大 缝合行距越大 树脂在下层纤维面板流动的同步性 越差 制品出现空隙及干斑的可能性越大 2 针距越小 树脂完成充填的时间越长 且针距 改变对树脂在下层纤维面板流动充填影响大于上层纤 维面板 241 高分子材料科学与工程2016年 3 随着缝针直径增大 树脂完成充填的时间呈 线性增长 且缝针直径变大 树脂对下层纤维面板的浸 润效果越好 4 泡沫芯板厚度增加 树脂完成充填的时间呈 线性增长 5 纤维面板厚度增加 树脂完成充填的时间变 长 且相对于其他缝合参数 纤维面板厚度改变对树脂 流动充填时间影响最大 6 针距 泡沫芯板的厚度及纤维面板的厚度都 不影响树脂在下层纤维面板的浸润效果 参考文献 1 郑锡涛 孙秦 李野 等 全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层结构 力学性能研究与损伤容限评定 J 复合材料学报 2006 23 6 29 36 Zheng X T Sun Q Li Y et al Mechanical behavior and damage tol erance tests of composites through thickness stitched foam sandwich panels J Acta Materiae Compositae Sinica 2006 23 6 29 36 2 Beier U Sandler J K W Altstadt V Mechanical performance of carbon fibre reinforced composites based on stitched and bindered pre forms J Composites Part A 2009 40 1756 1763 3 Alms J B Advani S G Glancey J L Liquid composite molding control methodologies using vacuum induced preform relaxation J Composites Part A 2011 42 57 65 4 邬志华 三维整体复合材料夹芯结构的设计 制备与性能 D 长沙 国防科学技术大学 2011 Wu Z H Design manufacture and mechanical performance of 3D in tegrated composite sandwich structures D Changsha National Uni versity of Defense Technology 2011 5 Lascoup B Aboura Z Khellil K et al Benzeggagh Impact response of three dimensional stitched sandwich composite J Compos Struct 2010 92 347 353 6 Simacek P Eksik O Heider D et al Experimental validation of posting filling flow in vacuum assisted resin transfer molding process ing J Composites Part A 2012 43 370 380 7 梅启林 冀运东 陈小成 等 复合材料液体模塑成型工艺与装 备进展 J 玻璃钢 复合材料 2014 9 52 61 Mei Q L Ji Y D Chen X C et al Liquid composite molding process and progressing of equipment J Fiber einforced Plastics Compos ites 2014 9 52 61 8 Song X L Vacuum assisted resin transfer molding VA TM model development and verification D Virginia ProQuest information and Learning Company 2004 9 Yudhanto A Watanabe N Iwahori Y Effect of stitch density on ten sile properties and damage mechanisms of stitched carbon epoxy com posites J Composites Part B 2013 46 151 165 10 程小全 郦正能 赵龙 缝合复合材料制备工艺和力学性能研 究 J 力学进展 2009 39 1 90 101 Cheng X Q Li Z N Zhao L Fabric ating process and mechanical property research of stitched composite structures J Advances in Mechanics 2009 39 1 90 101 11 Matsuzaki Kobayashi S Todoroki A et al Flow control by pro gressive forecasting using numerical simulation during vacuum assis ted resin transfer molding J Composites Part A 2013 45 79 87 12 王科 赖家美 鄢冬冬 等 缝合泡沫夹芯结构复合材料 VA TM 工艺树脂充填模拟及实验 J 高分子材料科学与工程 2015 31 11 124 129 Wang K Lai J M Yan D D et al Process simulation and verifica tion of stitched foam core sandwich structure by VA TM process J Polymer Materials Science Engineering 2015 31 11 124 129 Effects of Stitching Parameters on Stitched Foam Sandwich Structure Composites esin Filling by VA TM Process Ke Wang1 Jiamei Lai1 Dongdong Yan1 Hesheng Liu1 Zhichao Huang2 1 Polymer Processing esearch Lab School of Mechanical and Electric Engineering Nanchang University Nanchang 330031 China 2 Key Laboratory for Conveyance and Equipment of the Ministry of Education East China Jiaotong University Nanchang 330013 China ABST ACT The vacuum assisted resin transfer molding VA TM process of stitched foam sandwich structure compos ites with different kinds of stitching pa