薄板件真空模壓成型過程的仿真研究

劉 誠，徐振鋒，花 軍，吳 昊(東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

真空模壓成型是利用真空壓力將熱固性樹脂吸入預(yù)抽真空的模具內(nèi)，并促使樹脂在纖維增強體中滲透流動，最后固化成為復(fù)合材料的一種工藝，該工藝在航空工業(yè)、汽車制造、船舶制造等方面具有廣闊應(yīng)用價值。我國亞麻纖維資源豐富，可充分利用亞麻纖維作為真空模壓工藝過程中增強材料，以促進(jìn)可再生資源的利用和降低制品成本。在真空模壓成型過程中，滲透率是計算機模擬真空模壓成型過程的重要參數(shù)。經(jīng)試驗法測得其滲透率值，然后利用液體模塑成型仿真軟件PAM－RTM模擬樹脂充模過程，探索真空壓力和溫度對充模時間的影響規(guī)律［1］，避免了大量的工藝試驗，對于節(jié)約原料成本、縮短試驗周期和模具設(shè)計具有重要意義。

1 滲透率測量

1.1 滲透率計算 亞麻纖維是一種多孔性滲透性材料，關(guān)于樹脂在其孔隙中的滲透過程可以用經(jīng)驗公式Darcy定律來描述［2］。亞麻纖維滲透率的計算可以采用流動前沿測量法，一般假設(shè)真空壓力或者樹脂流動速率是恒定常量，在恒壓條件下有如下方程式:

其中，qx—x方向上的滲透流量;

Sx—x方向上的滲透率;

η—樹脂粘度;

此外，滲透流量與樹脂流動前沿速度之間有如下關(guān)系式:

其中，vx—樹脂流動前沿的速度;

φ—纖維的孔隙率;

t—與流動前沿相對應(yīng)的時間。

由上述(1)和(2)得:

其中，p0—大氣壓力;

pflowfront—樹脂流動前沿的壓力;

對(3)進(jìn)行積分得:

對(4)進(jìn)一步變換得滲透率:

1.2 滲透率試驗 試驗材料:在60℃恒溫水浴中經(jīng)過質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氫氧化鈉溶液浸泡預(yù)處理3 h［3］的亞麻布;環(huán)氧樹脂EPOLAM5015和固化劑EPOLAM5014(均由沈陽科拉斯提供)。

試驗設(shè)備:模具、加熱器、XD－40真空泵、DHG101烘干箱、樹脂罐、真空輔材、攝像機。

試驗內(nèi)容:在室溫(25.4 ±0.1)℃和真空壓力0.8E+5Pa的條件下，7層亞麻布(0.3 m×0.4 m)層疊鋪設(shè)，并分別在上面鋪設(shè)脫模布和導(dǎo)流網(wǎng)，采用流動前沿測量法測單向流動滲透率值，用攝像機記錄試驗過程［4］。觀察錄像，記錄樹脂流動前沿位置與對應(yīng)的時間(表1)。

表1 樹脂流動前沿位置x與時間t對應(yīng)關(guān)系

利用表1中的數(shù)據(jù)繪制散點圖并作x2－t的擬合直線(圖1)。

圖1 流動前沿法測亞麻布縱向滲透率的x2－t擬合直線

將x2－t擬合直線的斜率、樹脂的粘度、亞麻布的孔隙率、真空壓力值、大氣壓值帶入公式(5)中，即可計算出亞麻布滲透率的值為1.167 ×10－9m2。

2 仿真過程及結(jié)果分析

2.1 模型的建立 將Solidworks建立的薄板件模型，生成.IGS格式文件，然后導(dǎo)入Gemesh網(wǎng)格劃分軟件建立薄板件的有限元模型［5－8］。模型平面尺寸為 0.3 m ×0.4 m，有限元單元網(wǎng)格數(shù)為8 596，節(jié)點數(shù)為4 439。將薄板件有限元模型導(dǎo)入PAM-RTM軟件模擬樹脂壓力場和充模時間，設(shè)置樹脂注射邊和樹脂出口(圖2)。

圖2 平面模型(0.3 m×0.4 m)及樹脂注射邊和樹脂出口

2.2 參數(shù)確定 在PAM-RTM中通過輸入各項參數(shù)(亞麻布尺寸0.3 m ×0.4 m，面密度 0.56 kg/m2，平均密度 3 700 kg/m3，孔隙率83.02%，滲透率 1.167 ×10－9m2)，以及樹脂的粘度 0.225 Pa·s、密度 1.12 g/cm3，室溫 25.4 ℃，大氣壓1.01E+5Pa，仿真真空模壓成型過程中13組不同真空壓力和溫度條件下的樹脂流動充模的過程。

2.3 仿真結(jié)果 常溫(25.4±0.1)℃的真空壓力對應(yīng)的充模時間(s)仿真，如圖3所示。恒定0.80E+5 Pa真空壓力下的溫度(℃)與充模時間(s)對應(yīng)的仿真，如圖4所示。

圖3 真空壓力與充模時間對應(yīng)關(guān)系

圖4 溫度與充模時間對應(yīng)關(guān)系

由圖3可以得出溫度一定時，充模時間隨著真空壓力值遞增而呈線性遞減趨勢，這表明增大真空壓力可有效縮短充模時間，但實際生產(chǎn)過程中不可能無限提高真空壓力(不能達(dá)到絕對真空)。由圖4可以得出真空壓力一定時，充模時間隨著溫度的線性遞增而呈遞減趨勢，但當(dāng)溫度在45℃的時候，充模時間趨于穩(wěn)定，這表明適當(dāng)提高模具的溫度可有效縮短充模時間，當(dāng)溫度升高到一定程度時，充模時間不再發(fā)生變化。

3 試驗驗證

在溫度45℃、真空壓力0.80E+5 Pa條件下仿真的壓力場分布和充模時間，如圖5所示。

圖5 壓力場分布與充模時間

為驗證上述仿真結(jié)果的可靠性，選擇在同樣溫度45℃、真空壓力0.08 MPa條件下進(jìn)行薄板件的試驗成型過程。試驗過程與仿真過程對比(圖6)，整個試驗充模時間約為81 s，與仿真充模時間78 s之間存在誤差，誤差率為3.70%。

圖6 相同參數(shù)下試驗過程與仿真過程對比

試驗充模時間大于仿真充模時間的主要原因在于:仿真過程假設(shè)亞麻布等滲透率，但實際上由于亞麻纖維的非均勻性，亞麻布的滲透率并不是恒定常數(shù);模具受熱不均勻?qū)е略囼炦^程的平均溫度小于仿真輸入的溫度值，使試驗過程中的樹脂粘度高于仿真時的樹脂粘度，樹脂流動減慢，充模時間增長。

實驗充模時間大于仿真結(jié)果的主要原因在于仿真時假設(shè)亞麻布為均質(zhì)實體，其滲透率為恒定值，與實驗客觀條件存在一定偏差。此外，由于受熱不均勻?qū)е聦嶒炦^程中模具的平均溫度小于仿真時輸入的溫度值，使樹脂粘度高于仿真時的樹脂粘度，樹脂流動減慢，充模時間增長。

上述試驗薄板件(圖7)，在CMT5105型微機控制電子萬能試驗機上參照GB/T9341－2000進(jìn)行拉伸性能和參照GB/T1040－92進(jìn)行彎曲性能測試，測得7層亞麻布增強材料的拉伸強度為56.71 MPa，彎曲強度為117.57 MPa，彎曲模量為3 105.17 MPa。

圖7 試驗薄板件

4 結(jié)論

該文利用液體模塑成型仿真軟件PAM-RTM對真空模壓成型過程進(jìn)行仿真，獲得了真空壓力和溫度對充模時間的影響規(guī)律，并通過試驗驗證了仿真結(jié)果的正確性，該方法對于實際生產(chǎn)過程中優(yōu)化工藝參數(shù)、合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)具有一定的指導(dǎo)意義。在試驗中測量了亞麻纖維布真空模壓成型薄板件的拉伸強度和彎曲強度，試驗獲得的亞麻布增強復(fù)合材料薄板件力學(xué)性能較好，能夠滿足一定的使用要求，這對于擴大天然纖維的用途，充分發(fā)揮天然纖維來源廣、價格低、可再生、可降解等方面的優(yōu)勢［9－10］，開發(fā)綠色、環(huán)保的產(chǎn)品具有重要意義。

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