复合材料varm工艺充模过程的数值模拟

复合材料varm工艺充模过程的数值模拟

先进材料具有比模型和强度高、耐腐蚀性和抗疲劳性好、设计和制造一体化等优点，广泛用于航空、航空航天、交通运输、能源、建筑物等行业。作为一种典型的先进复合材料低成本成型工艺，复合材料液体成型技术（LiquidCompositesMolding,LCM）因具有生产效率高、制件表面光洁度好、尺寸精度高、闭模成型环境污染小的诸多优点得到越来越多的关注。VARTM工艺作为液体成型工艺中较常见的方法，近年来已被广泛应用于工业生产制造。例如，俄罗斯MC21支线客机和庞巴迪C系列飞机都将液体成型技术用于飞机机翼制造传统的对VARTM工艺进行优化的方法往往需要依靠经验并通过大量试验对树脂流动情况进行预测。这种方法需要耗费大量人员精力、资源和材料，拉长研制周期。而采用基于流体力学方程的有限元数值模拟方法对模具内树脂流动过程进行模拟可以有效降低VARTM工艺设计成本，有利于优化工艺参数，从而提高产品开发效率。国外有很多学者对此展开研究，Drapier1控制方程的定义对树脂流动进行数值模拟的过程可以归属为计算流体力学（ComputationalFluidDynamics,CFD）的范畴，一个完整的计算流体力学过程如图2所示。控制方程是整个计算过程的核心，是对物理过程的公式化表述；初始值和边界条件规定了物理过程的起始情况和边际范围；对计算域的网格划分、方程和初始条件边界条件的离散是有限元的基础，通过循环求解以达到数值结果满足收敛条件。1.1树脂在纤维中的流体流动性能为满足公式的使用条件，需要进行如下假设：(1）纤维预成型体为连续的多孔介质结构，并且在树脂浸润过程中不会发生形变。(2）树脂在纤维预成型体中的流动为多孔介质渗流并满足达西流动特性。(3）树脂的流动为恒温流动，充模过程中树脂黏度保持恒定，且忽略树脂的化学反应。1.1.1渗透方程darcy公式Darcy定理：其中，三维渗透率张量可表示为：1.1.2流体流动的普遍性方程质量守恒定律或称连续性方程，是任何流体流动过程中需要遵守的普遍性方程。其中，ρ表示流体密度；v是速度向量；ε表示多孔介质的预成型体的孔隙率。1.1.3优雅的方程式优雅的方程将经典Darcy方程（式（1））代入式（2），同时引入无量纲的饱和度变量S∈[0,1]，可得到式（4）即为简化的Richard方程。1.2数值形状因子的选取理查德方程建立了瞬时条件下的饱和度S和压强P之间的关系。对树脂流动前沿的轮廓描述，本文采用Kojima等这里α定义为数值形状因子（1/Pa），不同α选取值对饱和度S和压强P关系的影响如图3所示。从图3可知，随α升高数值模拟的收敛性逐渐升高，综合考虑数值模拟的收敛性、饱和度S和压强P计算的准确性，本文选取α=0.001。将式（5）运用链式法则进行变换可得式（6）。这样式（4）就转化为关于压强P与时间t的方程。1.3几何结构模型合理的网格划分是后续采用有限元方法高效计算的基础，在COMSOLMultiphysic软件中，PDE方程采用Galerkin方法为验证本文方法的正确性，建立了一个几何结构模型（图5），在矩形区域内预设了两个小矩形区域阻碍树脂流动，在临近下端的位置预设阻碍区域与整个矩形边缘区域相联通。采用三角形单元对几何模型进行有限元划分后的结果如图5(b）所示，共包含5760个域单元和270个边界单元。1.4模具内加压与出口压力如图5所示，除了两个位于几何模型中部的注入口，其他边界条件均设为不可渗透。模拟开始前，模具内压强与出口压强都为0；树脂开始注入时，入口压强(P2增强树种生长检测系统试验设备由树脂灌注系统和位于树脂灌注系统上部的检测系统两部分构成。树脂灌注系统由密封铺放在柔性真空袋内的单层编织纤维布、导管和真空泵组成；检测系统由CCD(CameraCoupledDevice）相机构成，负责记录试验中不同时刻树脂流动前沿的位置，试验装置如图6所示。试验和数值模拟选用的材料参数值如表1所示，纤维预成型体的渗透率沿水平方向（K3树脂流动前沿试验在不同时刻，树脂流动前沿位置和压力场的试验结果和数值模拟结果如图7所示，其中图7(a）、（e）、（i）、（m）为不同时刻试验所得树脂流动前沿的记录；图7(c）、（g）、（k）、（o）为文献为了更直观准确地量化对比试验和数值模拟得到的树脂流动前沿结果，本文定义浸润比（λ），λ=S不同时刻数值模拟与试验的λ绝对值差，即|λ4将该方法扩展到三维尺度模型中本文基于理查德方程和一种轮廓函数，利用COMSOLMultiphysics多物理场仿真软件，实现了对树脂浸润纤维预成型体过程的数值模拟预测。预测结果经与试验结果相比较，证明该方法具有准确的预报结果。本文所实现的方法，目前仅用于二维模型的流动仿真，由于实际生产制造中许多复材部件具有一定的厚度尺寸，因此在后续研究中可以探索将该方法扩展到三维尺度模型上。其次，本文中所用的纤维增强材料的渗透率数值为材料本身标定，在后续研究中可以探究基于本文建立的宏观尺度方法，将基于数值模拟对细观结构进行分析获