LCM工艺模拟实验报告

树脂传递模塑 树脂传递模塑 RTMRTM 工艺模拟 工艺模拟 验证实验报告验证实验报告 1 实验目的 1 学会使用 RTM 工艺模拟软件 2 了解注射口即注射方式 溢料口的位置对流动状态及注射时间的影响 3 了解树脂粘度的变化对注射时间的影响 4 了解注射压力的变化对注射时间的影响 5 了解渗透率的变化对注射时间的影响 6 了解树脂注射过程中压力场的分布 7 进行 LCM 实验验证 并对实验结果进行分析讨论 2 实验原理 2 1 RTM 工艺技术定义及原理 RTM ResinTransferMolding 工艺技术是目前低成本树脂基复合材料技术发 展的两大主要方向之一 也是目前先进复合材料技术的一个主要研究热点 RTM 又称树脂传递模塑 是指低粘度树脂在闭合模具中流动 浸润增强材料并固化 成型的一种技术 属于复合材料的液体成型 LCM 和结构液体成型技术 SLM 范 畴 该种工艺基本的成型原理为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好 的增强材料预成型体 采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔或加热熔化 模腔内的树脂膜 模具具有周边密封和紧固及由 CAD 辅助设计的注射及排气系 统 以保证树脂流动顺畅并排除模腔中的全部气体和彻底浸润纤维 并且模具 具有加热系统可进行加热固化而成型复合材料 RTM 制品具有强度及性能可靠性高 成型工艺简单 生产效率高 外表光 滑 环保性能好等优点 但是 由于 RTM 工艺过程在闭合模腔内完成 有很多 影响成型和产品性能的工艺参数 注射压力 流动速率 树脂豁度 纤维渗透率 模具和树脂温度 构件几何形状 材料属性 注射口和溢料口形状 数目 位 置及其大小等 工艺参数之间组合方式很多 使得 RTM 工艺的优化非常复杂 如果通过传统的试验方法来优化工艺参数 既耗时工艺成本又高 随着 RTM 制 件在航空航天 汽车工业 机械制造 船舶 建筑等领域的应用不断增加 进 一步降低 RTM 工艺的成本成为一个亟待解决的课题 应用计算机技术对 RTM 工 艺进行模拟仿真是有效的解决途径 通过计算机模拟仿真技术 可以得到对整 个 RTM 工艺过程有指导意义的数据 有利于合理设计模具 优化工艺参数 能 起到很好的辅助设计和指导作用 2 2 复合材料计算机模拟仿真技术及其工作原理 复合材料计算机模拟仿真技术在 RTM 模具设计中应用广泛 复合材料工艺 模拟分析系统主要由模拟平台和选用材料数据库两部分组成 其工作原理如图 1 所示 其技术难点在于软件平台的建立 2 3 渗透率数学模型 在复合材料加工过程中 树脂在增强材料中的流动模型通常基于 Darcy 定 律 该模型对牛顿流体在多孔介质中的流动进行了描述 在二维分析中有三个独立变量 三维分析中将有六个独立变量 具体模型 形式为 复合材料工艺分析理论模型 达西定律 数学模型与数学求解 有限元 控制体积单元工艺优化评价标准 程序编制 解析解和模拟解 复合材料工艺分析 模拟分析平台 参数数据库 实验验证模拟显示 图 1 复合材料工艺模拟分析系统工作原理图 P k v y P x P kkk kkk v u yzyyyx xzxyxx 1 z P y P x P kkk kkk kkk w v u zzzyzx yzyyyx xzxyxx 1 具体地 RTM 工艺过程模拟一维流动可以利用 Darcy 定律来模拟及分析这 种流动 计算公式如下 1 2 2 其中 t 时间 s 粘度 Pa s 压力 Pa K 渗透率 cm2 x 树脂流动距离 cm 2 4 树脂传递模塑 RTM 过程计算机数值模拟系统简介 本系统由北京航空航天大学材料科学与工程学院高分子复合材料系开发 用于计算和模拟平板复合材料构件的 RTM 流动过程 具有显示流动过程和输出 任一时刻压强分布的功能 3 实验内容 3 1 模拟分析注射口及工艺参数对注射时间的影响 选取工艺参数 长 宽 厚分别为 40cm 60cm 0 4cm 注射压力 0 2MPa 网格剖分 21 31 3 1 1 注射口 溢料口的位置对流动状态的影响 选取 X Y 方向的渗透率都为 10E 6cm 2 树脂粘度为 50 0cp 选取 5 种不 同的注射和溢料方式观察树脂流动状态的变化 结果如下 1 一角进 三角出 进料口节点坐标 0 20 0 21 1 20 1 21 溢料口节点序号 0 0 31 0 31 21 2 宽中心入 另宽两角出 进料口节点坐标 15 0 15 1 16 0 16 1 溢料口节点序号 0 21 31 21 3 两对角入 另两对角出 进料口节点坐标 0 0 0 1 1 0 1 1 30 20 30 21 31 20 31 31 溢料口节点序号 0 21 31 0 4 中心入 四角出 进料口节点坐标 15 10 15 11 16 10 16 11 溢料口节点序号 0 0 0 21 31 0 31 21 5 长两中心入 宽两中心出 进料口节点坐标 0 10 0 11 1 10 1 11 30 10 30 11 31 10 31 11 溢料口节点序号 15 0 15 1 16 0 16 1 将上述五种注射和溢出位置对冲模时间作图 如下图 12345 0 20 40 60 80 100 120 Fillingtime s different injection means Fillingtime 图 7 不同注射方式充模时间比较图 Fig 7 Filling time of different injection means 通过比较可以发现 2 种中心注射形式注射效率较高 其中长两中心入 宽两中心出注射效率最高 而点注射 三角出的形式所用注射时间最长 根据 注射压力和流距的关系可知 注射压力沿流距的增加迅速下降 造成距注口较远 位置的压降较小 而充模效率大大降低 因此在工艺设计中应尽可能选择构件几 何中心处为注口 以满足工艺和生产要求 以下工艺参数的模拟均采用中心点注 射 四角出 3 1 2 树脂粘度的变化对注射时间的影响 中心入 四角出 进料口节点坐标 15 10 15 11 16 10 16 11 溢料口节点序号 0 0 0 21 31 0 31 21 注射压力选择 0 2MPa X Y 轴方向的渗透率为 10 0 10 6cm 2 树脂粘度分别取 150 300 450 600 750 900cp 模拟结果如下表 1 表 1 不同树脂黏度对应的注射时间 树脂粘度 cp 注射时间 s 150cp75 1861 300150 3722 450225 5583 600300 7444 750375 9305 900451 1166 将树脂粘度与注射时间的关系作图 如下 图 8 树脂粘度与注射时间的关系 从图 8 可以看出树脂粘度与注射时间成直线关系 粘度越大 注射时 间越长 树脂粘度 是 RTM 工艺的重要工艺参数 同时 是树脂特性及环 境条件的综合反映 的大小直接影响树脂充模效率 注射压力的大小及 纤维 树脂的浸润质量 由图 8 可看出 在其它条件均相同时 树脂粘度 对充模时间 t 的影响规律为线性 采用较低树脂粘度可大大提高注射效率 3 1 3 注射压力的变化对注射时间的影响 中心入 四角出 进料口节点坐标 15 10 15 11 16 10 16 11 溢料口节点序号 0 0 0 21 31 0 31 21 X Y 轴方向的渗透率为 10 0 10 6cm 2 树脂粘度为 50cp 注射压力值分别取 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 5 0 7 0 9 1 1MPa 模 拟结果如下表 2 表 2 不同注射压力对应的注射时间 注射压力 MPa 注射时间 t s 0 150 1865 0 1533 4301 0 225 062 0 2520 0445 0 316 7009 0 510 0349 0 77 1668 0 95 5895 1 14 6263 图 9 注射压力与注射时间的关系 从图 9 可以看出树脂注射压力与注射时间成反曲线关系 模拟充模时 间随注射压力的增加而减小 在低压区增加注射压力可以明显缩短 充模 时间 而在高压区充模时间基本不变 况且注射压力过大易造成预成型体 的变形 影响构件的使用性能 压力过大也不利于树脂充分浸润纤维增强 体 会造成干斑缺陷 实际充模时 应选择适中的注射压力 3 1 4 渗透率的变化对注射时间的影响 中心入 四角出 进料口节点坐标 15 10 15 11 16 10 16 11 溢料口节点序号 0 0 0 21 31 0 31 21 注射压力选择 0 2MPa 树脂粘度为 50 0cp 选择不同的渗透率 模拟结果如表 3 所示 表 3 不同渗透率对应的注射时间 渗透率 cm2 注射时间 t s 5 0 10 650 1241 6 0 10 641 7701 7 0 10 635 8029 8 0 10 631 3275 9 0 10 627 8467 10 0 10 625 0620 15 0 10 616 7080 20 0 10 612 5310 25 0 10 610 0248 30 0 10 68 3540 图 10 渗透率与注射时间的关系 从图 10 可以看出 注射时间与渗透率之间存在反曲线的关系 渗透率越大 注射时间越小 渗透率对工艺过程的影响渗透率 K 是纤维预成型体对注入树脂 流体的流动阻力参数 K 取决于纤维含量 预成型体微观结构及纤维 树脂的粘 性摩擦等因素 在其他条件均相同时 渗透率 K 对充模时间 t 的影响规律为反比 例关系 一般 在低纤维含量时 随渗透率的增大 主要是纤维含量的降低 充 模时间迅速减少 但纤维含量较高时 纤维含量 Vf 50 时 K 3 0 10 6cm2 渗透率 K 变化对充模时间 t 的影响变弱 由于高性能复合材料的 Vf 40 因此 Vf 的变化对充模时间的影响不会十分显著 此时充模时间的缩短应主要靠降低 树脂粘度 3 1 5 树脂注射过程中压力场的分布 中心入 四角出 进料口节点坐标 15 10 15 11 16 10 16 11 溢料口节点序号 0 0 0 21 31 0 31 21 注射压力选择 0 2MPa 树脂粘度为 50 0cp 渗透率分别选择 10 0 10 6cm 2 在时间序号 n 133 时的压力场分布如下 纵坐标为压力 MP 3 2 RTM 工艺模拟算法的实验验证 3 2 1 树脂渗透率测定 通过透明上模观察树脂在恒定压力下对纤维体的浸润过程 观察树脂前锋 的流动形状 记录树脂在主方向上不同时刻的流动距离 带入达西定律 经过 换算求出渗透率 2 2 式中 t 为树脂流经 x 距离所用的时间 为树脂粘度 P 为压力差 k 为 流动方向上的渗透率 在实验中所用树脂粘度为 0 05Pa s 注射压力 0 15MPa 纤维层数为 7 树脂前锋在不同时刻的流动位置如下表 4 表 4 流动距离与时间 X m T s x2 m2 0 092 070 0081 0 115 750 0121 0 137 800 0169 0 1715 470 0289 0 2322 420 0529 以 x2为自变量 t 为因变量 代入 SPSS19 0 进行线性拟合后得出系数表 表5 系数a 非标准化系数标准系数共线性统计量 模型 B 标准 误 差试用版 tSig 容差 VIF 常量 1451 493 097 9291 x2 044 005 9808 545 0031 0001 000 a 因变量 时间 斜率 代入 P 和 值可求得渗透率 k 3 788 10 10m2 2 3 2 2 代入渗透率模拟验证 1 实验装置 2 参数预设置 设定程序各项参数如表 3 所示 记为状态 A 表 3 实验参数预设值列表 参数参数代号单位值 模具内模x方向最大轮廓 尺寸 wide moldcm18 0 模具内模y方向最大轮廓 尺寸 length moldcm23 0 模具内模z方向最大轮廓 尺寸 high moldcm0 4 x方向网格数 imax mold 18 y方向网格数 jmax mold 24 计算压强分布时的迭代次 数 kmax p 10000 计算压强分布时的迭代精 度 eps 1 0 106 计算压强分布时的松弛因 子 relaxation 1 0 树脂x方向渗透率 kx permeability 1 0 10 6cm2 3 788 树脂y方向渗透率 ky permeability 1 0 10 6cm2 3 788 树脂的粘性系数 mu viscositycp50 0 注入压强 injection pressureMPa0 15 注入点数目 number injection pressure 1 注入点坐标 injection point 9 0 9 1 8 1 8 0 溢料点数目 number vent point 1 溢料点坐标 vent point 9 23 3 模拟结果 如图模拟时间为 26 s 而实测为 22 42s 模拟结果的误差为 w 100 26 22 42 22 18 78 说明软件模拟效果较好 误差部分可能导致 原因有以下几个方面 放气口设置不均匀 导致各个节点的外部环境不一样 实验中模具的摆放水平因素导致各节点的充模时间差异 4 结论 1