基于平板模型的熱固性樹脂浸潤成型過程的數值模擬

張秀娟，畢超

（北京化工大學機電工程學院，北京　10029）

基于平板模型的熱固性樹脂浸潤成型過程的數值模擬

張秀娟，畢超

（北京化工大學機電工程學院，北京10029）

本文使用PAM-RTM軟件，基于平板模型研究了熱固性樹脂浸潤成型過程中重力對浸潤效率的影響。研究發現在樹脂浸潤中平板與水平面的夾角大小及浸潤方向平板長度均顯著影響浸潤時間。此外，還研究了樹脂黏度和填充纖維織物的滲透率對填充時間的影響。

樹脂浸潤；數值模擬；滲透率；填充時間

樹脂浸潤填充工藝是樹脂傳遞成型工藝（RTM）的重要分支。近年來，由于熱固性樹脂基復合材料具有高比強度、高比模量、良好的工藝性及耐腐蝕性等優異性能，因此在航空航天、交通、電力及建筑等多領域得到了廣泛的使用。為了提高制品制備的效率，研究人員往往借助數值計算的手段來指導浸潤制品及工藝的設計。呂昶[3]等運用有限元法/控制體積法對二維制件的浸潤過程進行了數值模擬，為注膠口和排氣口的合理優化布置提供了重要的理論支撐。江順亮研究了不同類型單元在CVFEM計算過程中的計算精度和計算速度。卜建輝[5]等采用有限元/控制體積法實現了對復雜薄壁構件的充填模式、壓力場和速度場的模擬。目前針對樹脂浸潤過程中重力的影響還未見報道。本文利用PAM-RTM軟件對樹脂浸潤成型工藝過程進行數值模擬，分析了重力、滲透率以及物料黏度對樹脂充填時間的影響。

1　數值模擬

1.1基本假設

本文研究中基于如下基本假設：①纖維與樹脂之間沒有質量交換；②纖維預成型體和樹脂的密度在填充的過程中均保持不變；③忽略樹脂流動過程中的慣性作用；④由于充模過程相對于固化過程來說時間非常短，充模過程中的樹脂黏度變化很小，所以忽略樹脂在填充階段的化學作用，把充模過程看成是一個物理的過程。

1.2數學方程

通常情況下，把樹脂在纖維織物中的充填過程假設成不可壓縮流體流過多孔介質的過程，可以采用Darcy達西定律來描述：

將式（1）和式（2）代入式（3），即可得到完全填充區域內的壓力分布計算式：

計算時，入口給定壓力：

流動前鋒壓力等于出口抽膠壓力：

在壁面位置處：

計算中，當計算了填充區域的壓力分布后，根據式（1）和（2）計算區域內的速度分布。同時根據流動前鋒上控制體為填充區域計算各個控制體充滿所需時間：

為了保證填充過程質量守恒，取前鋒控制體填充滿所需時間中最小的時間tmin為下一時刻計算的時間步長，并由此更新前鋒控制體的填充度：

為了進一步驗證測量系統的重復性及可靠性，設計方案2，正負方向連續重復測試10次獲取的數據，如圖7所示。

更新全充滿區域和前鋒后，再次求解填充區域的壓力分布，直到滿足停止填充條件。

根據上述流程進行填充，每次只能有一個控制體完成充滿。為了減少計算步驟，可給定填充過載系數 ，在得到最小時間eover后，更新前鋒控制體填充度時所用的時間步長：

計算得到f1后，將所有大于1的f1全部歸1。

1.3幾何模型及網格劃分

本文研究模型如圖1所示，平板模型的尺寸為100×200 mm2，模型的長邊與Y軸重合，旋轉角度為60。。圖2為該模型的網格劃分情況。采用三角形單元進行網格劃分。

圖1　繞Y軸旋轉60。的100×200 mm2的矩形平板

1.4邊界條件

為求解浸潤區域的壓力場方程，需要結合如下的邊界條件：

（1）樹脂注膠口：壓力為大氣壓（0 MPa）。

（2）浸潤前鋒與真空抽氣口相連：真空負壓-0.1 MPa。

如圖2所示，與Y軸重合邊界為抽氣口設置位置，其對邊為注膠口設置位置。

圖2　GEOMESH網格劃分結果圖及邊界條件

1.5物性參數

本文研究中所使用的物性參數見表1。

表1　物性參數

2　結果與分析

2.1重力項對填充時間的影響

為研究重力對填充時間的影響，將圖1所示的矩形平板浸潤長度方向尺寸增加，得到大小分別為200×200 mm2、300×200 mm2、400×200 mm2的制件，其填充時間模擬結果如圖3所示，隨著制件浸潤流動方向尺寸的增大，充滿時間增大。此外，在其他模擬條件不變的情況下將上述幾何模型中重力影響忽略，重新計算填充時間。再將忽略重力影響和考慮重力影響的對應結果相減所得時間差（充填時間減小量）作為重力影響的衡量指標。由圖4可看出，重力作用使填充時間的減少量隨著制件浸潤流動方向尺寸的增大而增大。浸潤流動方向長度有效的放大了重力的影響。

圖3　制件長度增加充滿時間

圖4　制件長度增加重力的影響

此外，研究中改變制件繞Y軸的旋轉角度以改變平板與水平面的夾角，進一步分析了重力的影響。如圖5所示為100×200 mm2的矩形平板繞Y軸分別旋轉0。、30。、60。和90。后浸潤所需的填充時間。由5圖可以看出，施加-Z方向的重力后，自平板的上邊界向下填充過程中，隨著平板繞Y軸旋轉的角度的增大，填充所用時間呈圖中所示的二次多項式形式減小。且隨著旋轉角度的增加，重力影響造成的浸潤時間減少量按圖6所示的二次多項式形式增加。

2.2樹脂黏度對填充時間的影響

樹脂黏度對填充有重要影響，樹脂體系黏度降低可以減少樹脂在模腔中流動的流動阻力，進而減小樹脂充填時間，也有利于樹脂更好的浸潤纖維增強材料。樹脂黏度太大則會形成較大的流動阻力，不僅會使樹脂充模時間增加，而且還會造成樹脂不能很好地浸潤增強材料，導致空隙、干斑等缺陷的產生。RTM工藝對樹脂黏度要求比較嚴格，要求樹脂基黏度范圍為0.1~1 Pa.s，一般為0.12~0.5 Pa.s[6]。

本模擬樹脂黏度分別設定為0.1 Pa.s、0.2 Pa.s、0.3Pa.s、0.4Pa.s、0.5Pa.s、0.6Pa.s。在保持其他參數不變的情況下針對圖中所示模型研究物料黏度的影響。模擬結果如下圖7所示。由圖可見，填充時間隨著樹脂黏度的增大而增大，黏度越小填充時間越短。且隨著黏度的增加充滿時間按照圖8所示的線性變化規律增加。

圖5　不同角度下充滿時間

圖6　不同角度下充滿時間變化量

圖7　不同黏度下的填充時間

圖8　黏度對填充時間的影響

本節基于平板模型所得到的黏度對填充時間的影響規律與文獻[7]中針對乙烯基樹脂體系通過實驗測定得出的乙烯樹脂體系黏度與時間的關系具有一致性。

2.3滲透率的影響

滲透率可以用來表征樹脂與多孔介質浸潤的難易程度，是纖維增強材料的基本性能之一，對浸潤效率和制件設計有重要影響。參考文獻[8]中滲透率的取值范圍，本文模擬中滲透率值分別取值為4.27×10-10/m2、3.48×10-10/m2、2.61×10-10/m2、1.73×10-10/m2、0.91×10-10/m2。由圖9可以看出，滲透率越大，填充所需的時間越短。且隨著滲透率增大充滿時間按如圖10所示的冪函數規律減小。

圖9　滲透率對填充時間的影響

圖10　不同滲透率下的充滿時間

3　結論

本文基于平板模型研究了浸潤過程中重力及物性對填充時間的影響規律。在重力作用的影響研究中，考慮了平板沿浸潤流動方向的長度尺寸及平板與水平面夾角大小兩個因素，研究表明這兩個因素的增大均有效放大了重力作用的效果?？梢奟TM工藝中優化填充效率時重力作用是相當重要的因素。此外還對物料黏度及滲透率的影響進行了研究。結果表明黏度對時間的影響呈線性變化規律，而滲透率的增大充滿時間呈冪函數規律減小。

（R-03）

巴斯夫推出汽車內飾聚氨酯組合料的新服務

巴斯夫2016年9月推出了一項針對汽車內飾聚氨酯組合料的新服務：升級版巴斯夫Ultrasim模擬工具現在已經能夠精確模擬開模與合模的聚氨酯組合料發泡過程。從采用ElastoflexrE半硬質組合料制造的儀表板來看，這項服務極為成功。國際汽車供應商延鋒汽車飾件系統采用這一虛擬工藝設計技術開發寶馬X1等車型的儀表板。巴斯夫根據每個儀表盤的計算機輔助工程(CAE)模型以及Ultrasim中關于半硬質組合料的材料描述，開發了一種發泡模擬技術，使客戶能夠在實際開發模具之前便發現部件可能存在的設計和制造問題。這樣就縮短了ElastoflexE儀表板的開發時間，加快了生產流程，降低了成本。

巴斯夫日前推出了一項針對汽車內飾聚氨酯組合料的新服務：升級版巴斯夫Ultrasim模擬工具現在已經能夠精確模擬開模與合模的聚氨酯組合料發泡過程。從采用ElastoflexE半硬質組合料制造的儀表板來看，這項服務極為成功。國際汽車供應商延鋒汽車飾件系統采用這一虛擬工藝設計技術開發寶馬X1等車型的儀表板。巴斯夫根據每個儀表盤的計算機輔助工程(CAE)模型以及Ultrasim中關于半硬質組合料的材料描述，開發了一種發泡模擬技術，使客戶能夠在實際開發模具之前便發現部件可能存在的設計和制造問題。這樣就縮短了ElastoflexE儀表板的開發時間，加快了生產流程，降低了成本。

儀表板是安全攸關的大型復雜部件，每款車型的儀表板都必須通過汽車制造商的批準。在制造過程中，發泡工藝直接關系到載體、表皮、聚氨酯泡沫和相應的安全氣囊設計能否形成一個有機整體，因此其作用十分關鍵。

摘編自“中國聚合物網”

Numerical simulation of infi ltration molding process of plate type based thermosetting resin

TQ323

1009-797X(2016)20-0052-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.016

張秀娟（1989-），女，北京化工大學碩士研究生，主要從事樹脂浸潤的研究。

2016-09-12