天線面蒙皮真空導(dǎo)入整體成型充模仿真及優(yōu)化

張艦

摘 要：真空導(dǎo)入屬于一種被應(yīng)用在復(fù)合材料制作過程中的技術(shù)，該技術(shù)的主要功能是去除磨具和纖維材料之間的空氣，進(jìn)而提高樹脂型材料的流動(dòng)能力，是復(fù)合材料質(zhì)量的基本保障。為此，文章分析了天線面蒙皮真空導(dǎo)入的仿真方式及其優(yōu)化方式，并將真空導(dǎo)入技術(shù)應(yīng)用到了實(shí)際成型過程中。

關(guān)鍵詞：天線面蒙皮；真空導(dǎo)入；整體成型；充模仿真

中圖分類號(hào)：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）33-0016-02

引言

纖維型復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)較低等特點(diǎn)，因此，經(jīng)常被應(yīng)用在天線面板制備過程中，而如何實(shí)現(xiàn)薄壁構(gòu)件的整體成型，也成為了復(fù)合材料發(fā)展和應(yīng)用的一項(xiàng)難題。為此，研究人員應(yīng)用了以計(jì)算機(jī)為載體的仿真模擬技術(shù)，并優(yōu)化了流道設(shè)計(jì)方案，旨在改善復(fù)合材料浸潤(rùn)的均勻性。

1 流動(dòng)仿真理論模型

計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)真空導(dǎo)入過程的全方位模擬，并應(yīng)用相應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)付流道設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，進(jìn)一步改善樹脂在纖維材料中的浸泡效率和深入程度，改善復(fù)合型材料的均勻程度。當(dāng)下，已經(jīng)有專業(yè)技術(shù)人員就樹脂的滲流過程進(jìn)行了貼體坐標(biāo)和有限分差法研究，并建立了樹脂滲流量計(jì)算方程；還有技術(shù)人員針對(duì)現(xiàn)行四種不同類型的天線蒙皮導(dǎo)入方式進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗(yàn)，確定了最佳的流道布置方式和分布設(shè)置方案，本文應(yīng)用的便是四種導(dǎo)入方式的實(shí)驗(yàn)；還有技術(shù)人員應(yīng)用RTM仿真技術(shù)對(duì)風(fēng)葉機(jī)RTM充模過程進(jìn)行三維模擬，形成了專業(yè)的工藝加工方案，將其運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)過程中取得了優(yōu)良效果。

真空導(dǎo)入樹脂的過程和纖維材料的固化過程，都屬于物質(zhì)的非等溫滲流過程，因此，用數(shù)學(xué)模型可以描繪出運(yùn)動(dòng)能量的守恒方程，工作人員可以在此基礎(chǔ)上解釋物質(zhì)的存在形式和運(yùn)動(dòng)形式。在本文的實(shí)驗(yàn)中，為了減輕計(jì)算難度，忽略了在加工工藝應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的邊緣現(xiàn)象，因此，在真空導(dǎo)入研究實(shí)驗(yàn)中，需要做出以下假設(shè)：纖維具有良好的剛性，在樹脂中浸泡時(shí)不會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象；樹脂和纖維在實(shí)驗(yàn)過程中不會(huì)發(fā)生密度上的變化；樹脂流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的雷諾數(shù)較小，可以忽略慣性作用的影響；被樹脂浸潤(rùn)的纖維結(jié)構(gòu)和沒有被浸潤(rùn)過的纖維結(jié)構(gòu)，融合在一起時(shí)會(huì)形成明顯的分界面，此分界面之外沒有樹脂流體存在，分界面之內(nèi)的樹脂流體達(dá)到了飽和[1]。

基于上述假設(shè)下，真空導(dǎo)入仿真模擬模型可以表示為：=-，其中Q表示面積式樣中的體積流量，單位是m3/s；K表示的是纖維滲透率的張量，單位是m2；A表示的是試件的橫截面面積，單位是m2；△P表示的是固定流動(dòng)長(zhǎng)度（L）額壓強(qiáng)值，單位是Pa；？濁表示的是流體的實(shí)際黏度，單位是Pa/s。

在真空導(dǎo)入仿真實(shí)驗(yàn)中，最關(guān)鍵的是確定物質(zhì)和流體的運(yùn)送邊線，即樹脂流動(dòng)過程的前沿位置，因此，操作人員需要應(yīng)用相關(guān)技術(shù)對(duì)模具的流動(dòng)前沿進(jìn)行監(jiān)控，本次試驗(yàn)應(yīng)用的是有限元控制體積法。通過型腔內(nèi)壓力場(chǎng)的求解方程，操作人員可以分別計(jì)算出注射點(diǎn)、內(nèi)點(diǎn)、前沿點(diǎn)的內(nèi)壓力場(chǎng)，為真空導(dǎo)入設(shè)備的安裝和設(shè)置提供了數(shù)據(jù)支持，如注射口和排氣口等，進(jìn)而確保了仿真模擬實(shí)驗(yàn)和真空導(dǎo)入工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)的規(guī)范性和合理性[2]。

2 天線面蒙皮仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 流道設(shè)計(jì)和模擬

以真空導(dǎo)入技術(shù)為依據(jù)可以劃分出四種不同類型的天線蒙皮導(dǎo)入方式，現(xiàn)應(yīng)用Pro/e三維建模軟件和RYM-Worx分析軟件對(duì)反射天線面蒙皮進(jìn)行建模實(shí)驗(yàn)和仿真模擬。現(xiàn)假設(shè)天線面蒙皮的投影為橢圓形，最長(zhǎng)投像軸的長(zhǎng)度為18米，最短投像軸的長(zhǎng)度為15米，最高投射點(diǎn)的高度為2米，并在仿真軟件中將其劃分為66000個(gè)節(jié)點(diǎn)，125000個(gè)單元數(shù)。在此次仿真模擬過程中，真空導(dǎo)入技術(shù)的工業(yè)參數(shù)如下：預(yù)成體的滲透率為8*10-10m2，此時(shí)纖維物質(zhì)在總體試驗(yàn)總質(zhì)量的含量為60%，樹脂的粘度固定為220Pa/s，真空導(dǎo)入仿真模擬實(shí)驗(yàn)所承受的真空壓力為0.095Pa。現(xiàn)對(duì)上文中提到的四種導(dǎo)流方式進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)，總結(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下文所示。

仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，一號(hào)導(dǎo)流方式的流道間距較大，導(dǎo)致流體的流動(dòng)速度過于緩慢，延長(zhǎng)了沖模時(shí)間，但是如果在實(shí)驗(yàn)過程中，就流道方式進(jìn)行改善，縮短流道間距，則會(huì)增加注膠口的數(shù)量，給流道的安排和設(shè)計(jì)增加難度，造成運(yùn)行設(shè)備不能合理分配的問題。另外，此導(dǎo)流方式在實(shí)際應(yīng)用過程中及其容易出現(xiàn)邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致操作人員無法有效控制真空導(dǎo)入工藝的應(yīng)用過程[3]。

二號(hào)導(dǎo)流方式的流道間距較小，且流道的長(zhǎng)度有所增加，減少了沖模時(shí)間，但是受到注膠口分布原則的影響，為了確保流道在一圈內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全浸泡，需要在實(shí)驗(yàn)開始前浸潤(rùn)纖維布，并逐漸增加流道圈內(nèi)的注膠口數(shù)量，并在流道圈內(nèi)設(shè)置抽氣口。在第一圈流道內(nèi)部需要設(shè)置的注膠口數(shù)量較多，其中第七圈需要設(shè)置12個(gè)注膠口，在整體仿真模擬實(shí)驗(yàn)中共需要設(shè)置46個(gè)注膠口。因此，在二號(hào)導(dǎo)流方式中涉及到了較多的注膠口和抽氣口安裝，操作人員需要嚴(yán)格遵循安裝規(guī)范和順序，增加了施工工藝的風(fēng)險(xiǎn)。

三號(hào)導(dǎo)流方式減少了注膠口和抽氣口的安裝數(shù)量，對(duì)流道進(jìn)行了均勻的布置，但是在真空導(dǎo)入模擬實(shí)驗(yàn)中仍然發(fā)現(xiàn)了操作風(fēng)險(xiǎn)，即當(dāng)樹脂的流動(dòng)前沿呈現(xiàn)“U”型時(shí)，如果前沿的深度較深，則會(huì)出現(xiàn)注膠口控制不合理和流管錯(cuò)位等問題，導(dǎo)致“U”型結(jié)構(gòu)的兩側(cè)先被填充完，容易形成聚氣，進(jìn)而造成天線面蒙皮的干癟和缺陷[4]。

四號(hào)導(dǎo)流方式樹脂流動(dòng)前沿呈現(xiàn)“V”型，彌補(bǔ)了“U”型流動(dòng)前沿的缺陷，并且整體流道圈內(nèi)只能設(shè)置一個(gè)注膠口，規(guī)避了施工工藝帶來的風(fēng)險(xiǎn)。在上述的仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，可以看出四號(hào)導(dǎo)流方式的流動(dòng)效率最高，樹脂流動(dòng)的質(zhì)量比較均勻，因此，最適合應(yīng)用在天線面蒙皮設(shè)計(jì)中。

2.2 真空導(dǎo)入工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

上述仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，四號(hào)導(dǎo)流方式為：將48根導(dǎo)流管按照安裝流程規(guī)安裝好，設(shè)置一個(gè)中心點(diǎn)，將導(dǎo)流管按照放射線形狀排列，應(yīng)用導(dǎo)管的長(zhǎng)度在6.9米-8.85米之間，流道的總體長(zhǎng)度可以達(dá)到380米，相鄰流道的間距為0.95米-1.2米，流道圈內(nèi)有一個(gè)注膠口和一排抽氣口[5]。endprint

為了方便仿真模擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，在確保沖模效率和質(zhì)量的前提下，現(xiàn)對(duì)四號(hào)導(dǎo)流方式進(jìn)行了如下改造：將一個(gè)注膠口改造為8個(gè)注膠口圍繞的環(huán)形結(jié)構(gòu)，讓6根導(dǎo)流管共用一個(gè)注膠口；在環(huán)形結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)抽氣口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此次改造在提高真空技術(shù)應(yīng)用效率上有較大的作用，另外，應(yīng)用該導(dǎo)流方式順利完成了15m*18m面積天線面蒙皮的制作。

現(xiàn)對(duì)和改造后的導(dǎo)流方式在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用過程中的具體參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比和說明，在仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，該導(dǎo)流方式的沖模時(shí)間為90分鐘，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中的沖模時(shí)間為100分鐘。經(jīng)過分析和總結(jié)后，可以得出影響沖模時(shí)間變化的因素如下：在仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，樹脂的黏度不變，在實(shí)際應(yīng)用過程中，樹脂的黏度會(huì)在時(shí)間的影響下出現(xiàn)一定程度的變化；在仿真模擬實(shí)驗(yàn)中，預(yù)成體的滲透率是理想值，在實(shí)際應(yīng)用過程中，復(fù)合材料在鋪設(shè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形。

總體而言，在流道仿真模擬實(shí)驗(yàn)和真空導(dǎo)入工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，能夠總結(jié)出適合應(yīng)用在天線面蒙皮制作中的理論和技術(shù)，仿真和優(yōu)化模擬在實(shí)際工藝品成型中具有指導(dǎo)作用，能夠有效避免多次實(shí)驗(yàn)帶來的成本支出，大幅度降低了真空導(dǎo)入技術(shù)的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，提高了天線面蒙皮的成型效率和質(zhì)量，并且在實(shí)際應(yīng)用過程中取得了顯著的效果[6]。

3 天線面蒙皮真空導(dǎo)入結(jié)論

通過RYM-Worx分析軟件完成了對(duì)大口徑天線面蒙皮的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，在結(jié)合四種導(dǎo)流方式的沖模效率和質(zhì)量后，選擇了四號(hào)導(dǎo)流方式，并結(jié)合實(shí)際的工藝流程對(duì)真空導(dǎo)入技術(shù)應(yīng)用方式和流道設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，隨后應(yīng)用改造后的天線面蒙皮進(jìn)行工藝成型，最后應(yīng)用的沖模時(shí)間為100分鐘，并制造出了比較完善的天線面蒙皮。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)用效益證明，將仿真模擬技術(shù)和真空導(dǎo)入技術(shù)應(yīng)用在天線面蒙皮制作中，能夠提高樹脂在纖維材料中浸泡均勻性，有效的降低了施工工藝的施工成本和工藝風(fēng)險(xiǎn)，在提高產(chǎn)品性能方面發(fā)揮了比較重要的作用，為大型薄壁構(gòu)件的建造提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型技術(shù)來說，真空導(dǎo)入技術(shù)比較適合影響在成型面積較大的材料制作過程中，高效率的流道設(shè)計(jì)能夠讓纖維材料被樹脂充分浸泡，減少天線面蒙皮上的孔隙，進(jìn)而提高天線面板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。因此，技術(shù)人員需要加大對(duì)真空導(dǎo)入整體成型技術(shù)的研究力度，結(jié)合實(shí)際的天線面蒙皮需求，運(yùn)用先進(jìn)的仿真模擬和優(yōu)化方式，對(duì)真空導(dǎo)入技術(shù)進(jìn)行事先的模擬應(yīng)用。

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