复合材料增强纤维渗透率测量及VARI成型工艺仿真计算研究.pdf

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1、38工程塑料应用2011年，第39卷，第7期复合材料增强纤维渗透率测量及VARI成型工艺仿真计算研究成天健鲁先孝张兴刚(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳471039)摘要针对纤维增强树脂基复合材料真空辅助成型(VARI)工艺仿真计算，根据Darcy定律推导出了增强纤维渗透率的常用计算公式，并根据该公式完成了渗透率值的测量，在此基础上，针对某复杂结构模型的VARI工艺分别完成了仿真计算和验证试验，最后对计算结果与验证试验结果进行了比较，结果表明二者基本吻合，验证了工艺仿真计算的有效性。关键词纤维增强树脂基复合材料真空辅助成型工艺渗透率工艺仿真纤维增强树脂基复合材料

2、目前已在航空、舰船、结果进行后处理，结合验证试验，完成仿真计算的优风电等领域获得了广泛的应用，真空辅助成型(VA—化与修正，形成最终的仿真计算结论。RI)工艺作为一种新兴的大型复杂结构低成本成型要完成VARI工艺仿真，首先需要解决原材料技术¨』，是当前复合材料重要的成型手段之参数的测量，其中树脂黏温／黏时曲线可采用旋转黏l4J一。复合材料VARI工艺成型过程主要包括3度计测量，而渗透率作为增强材料固有的特性参数，个阶段：增强材料预成型、树脂注射及浸润、制品固可根据Darcy定律通过专用设备进行准确测量，也化。其中在树脂注射与浸润阶段，树脂通过在增强可根据已有纤维的渗透率

3、值采用比较法进行估算。纤维束问流动完成对纤维的浸润，如图1所示。该1．1VARI工艺下渗透率计算公式推导阶段是VARI工艺的关键，同时有一定的风险性，如树脂在纤维中的流动过程可以看作液体在多孔控制不当将形成干斑等缺陷。要降低VARI工艺的介质中的渗流过程，可用Darcy定律进行描述：风险，需要开展合理的工艺设计，而工艺仿真计算是Q：KAz~P(1)71L工艺设计重要的手段之一。笔者针对复合材料VA—RI工艺仿真计算，在Darcy定律的基础上推导了式中：p——通过恒定截面积内树脂的体积流量；K——增强材料渗透率；VARI工艺纤维渗透率常用计算公式，并根据该公式完成了渗透率

4、值的测量，然后针对某复杂结构模4——试样横截面积；型，分别完成了VARI工艺仿真计算和验证试验，最△P——相应于流动长度的压力差；后对试验结果与计算结果进行了分析、比较。卵——黏度；树脂分配介质螺旋管，J——流动长度。若将式(1)中Q转化成用树脂流动前峰流动速度表示，则式(1)可转化为：式中：s——纤维孔隙率。针对VARI成型工艺，由于采用螺旋管、单向高树脂收集器真空泵树脂容器渗透率导流布等工艺耗材实现了树脂的线形注入和图1VARI工艺结构示意图单向流动，因此树脂的流动和浸润只在一个方向上1VARI工艺仿真计算的一般流程及渗透率测量进行，即=，将其代入式(2)，转化成积

5、分形式，VARI工艺仿真的一般流程为：首先测量增强材料渗透率、树脂黏温／黏时曲线等原材料参数；然结合t=0时L=0的边界条件，对式(2)进行积分，后采用UG、Patran、Hypermesh等软件建立有限元模可得VARI工艺下的纤维渗透率计算公式如式(3)：型，在专用工艺仿真软件中赋予材料属性，定义流道设计等边界条件，完成工艺的仿真计算；最后对计算收稿日期：2011—06-03成天健，等：复合材料增强纤维渗透率测量及VARI成型工艺仿真计算研究39其中模型外部被厚度4mm的复合材料壳体完全包：(3)0_【×＼覆，壳体7增6强5纤4维3为2221层O玻璃纤维布，其敷设导流

6、1．2VARI增强材料渗透率测量布后的渗透率根据前面的计算为5×10。m，树脂采用前面推导的VARI工艺下渗透率理论计算采用乙烯基酯类树脂，采用旋转黏度计测量出其黏公式，测试如下增强材料的渗透率：26层450film×度为0．3Pa·s。450mm玻璃纤维布正交铺敷，并敷设一层导流布为完成该结构的VARI工艺仿真，首先采用UGBreatherflow60，按照图1所示结构成型复合材料平或Solid—Work建立了几何模型，然后导入有限元板，记录树脂在纤维中的流动前锋和对应的时间，结软件Patran中完成网格划分，建立有限元模型，其中果如表1所示。网格类型为二维面网格；然

7、后将所得到的有限元模表1树脂在26层玻璃纤维布增强材料内的流动状况型导人工艺仿真专用软件PAM—RTM中，赋予材料时间／s流动前锋位置／mm时间／s流动前锋位置／mm属性、设置边界条件，其中树脂注口和真空口的位置1O242003305052300410分别如图4所示；最后完成壳体VARI计算，对计算1oo240335440结果进行后处理，结果如图5、图6所示。根据式(3)，令F=L2册，T=2tAP，可作拟合曲线如图2所示。．==3口图4复杂结构树脂注口和真空口位置设置图2渗透率拟合曲线图2中直线的斜率即为增强材料与导流介质的一维表观渗透