LCM工艺模拟实验报告

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1、树脂传递模塑(RTM)工艺模拟/验证实验报告1实验目的1学会使用 RTM 工艺模拟软件； 2了解注射口即注射方式、溢料口的位置对流动状态及注射时间的影响； 3了解树脂粘度的变化对注射时间的影响； 4了解注射压力的变化对注射时间的影响； 5了解渗透率的变化对注射时间的影响； 6了解树脂注射过程中压力场的分布。7进行 LCM 实验验证，并对实验结果进行分析讨论。2实验原理2.1 RTM工艺技术定义及原理RTM(ResinTransferMolding)工艺技术是目前低成本树脂基复合材料技术发 展的两大主要方向之一，也是目前先进复合材料技术的一个主要研究热点。RTM 又称树脂传递模塑，是指低粘度树脂

2、在闭合模具中流动、浸润增强材料并固化成 型的一种技术，属于复合材料的液体成型(LCM)和结构液体成型技术(SLM)范畴。该种工艺基本的成型原理为首先在模腔中铺放好按性能和结构要求设计好 的增强材料预成型体，采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔或加热熔化模 腔内的树脂膜，模具具有周边密封和紧固及由 CAD 辅助设计的注射及排气系统， 以保证树脂流动顺畅并排除模腔中的全部气体和彻底浸润纤维，并且模具具有加 热系统可进行加热固化而成型复合材料。RTM制品具有强度及性能可靠性高、成型工艺简单、生产效率高、外表光滑、 环保性能好等优点。但是，由于RTM工艺过程在闭合模腔内完成，有很多影响成 型和产品性

3、能的工艺参数:注射压力/流动速率、树脂豁度、纤维渗透率、模具和 树脂温度、构件几何形状、材料属性、注射口和溢料口形状、数目、位置及其大 小等。工艺参数之间组合方式很多，使得RTM工艺的优化非常复杂。如果通过传 统的试验方法来优化工艺参数，既耗时工艺成本又高。随着RTM制件在航空航天、汽车工业、机械制造、船舶、建筑等领域的应用不断增加，进一步降低RTM工艺 的成本成为一个亟待解决的课题，应用计算机技术对RTM工艺进行模拟仿真是有 效的解决途径。通过计算机模拟仿真技术，可以得到对整个RTM工艺过程有指导 意义的数据，有利于合理设计模具、优化工艺参数，能起到很好的辅助设计和指 导作用。2.2 复合材

4、料计算机模拟仿真技术及其工作原理复合材料计算机模拟仿真技术在RTM模具设计中应用广泛。复合材料工艺模拟分析系统主要由模拟平台和选用材料数据库两部分组成。其工作原理如图 1图1复合材料工艺模拟分析系统工作原理图所示。其技术难点在于软件平台的建立。2.3 渗透率数学模型在复合材料加工过程中，树脂在增强材料中的流动模型通常基于Darcy定律。该模型对牛顿流体在多孔介质中的流动进行了描述-VP在二维分析中有三个独立变量，三维分析中将有六个独立变量，具体模型形式为：fapkkxx xy kkyx yykxzkyzaxaPapfuk k kax1xx xy xzap =k k kVyxyy yzaywk

5、k kzxzyzzap、az 一具体地，RTM工艺过程模拟一维流动可以利用Darcy定律来模拟及分析这种流动，计算公式如下：t = -X2（1）2Apk其中，t-时间（S）n 粘度（Pas） p-压力（Pa）K-渗透率（cm2）x-树脂流动距离（cm）2.4树脂传递模塑（RTM）过程计算机数值模拟系统简介本系统由北京航空航天大学材料科学与工程学院高分子复合材料系开发，用 于计算和模拟平板复合材料构件的RTM流动过程，具有显示流动过程和输出任一 时刻压强分布的功能。3实验内容3.1 模拟分析注射口及工艺参数对注射时间的影响选取工艺参数：长、宽、厚分别为：40cm, 60cm, 0.4cm；注射压

6、力0.2MPa 网格剖分：21、313.1.1 注射口、溢料口的位置对流动状态的影响选取X、Y方向的渗透率都为10E-6cm-2；树脂粘度为50.0cp，选取5种不同 的注射和溢料方式观察树脂流动状态的变化。结果如下：（1）一角进、三角出 进料口节点坐标（0，20）（0，21）（1，20）（1，21） 溢料口节点序号（0，0）（31，0）（31，21）（2） 宽中心入，另宽两角出进料口节点坐标（15，0）（15，1）（16，0）（16，1）溢料口节点序号 （0，21） （31，21）（3） 两对角入，另两对角出进料口节点坐标（0，0）（0，1）（1，0）（1，1）（30，20）（30，21）（

7、31，20）31，31） 溢料口节点序号（0，21）（31，0）（4） 中心入，四角出进料口节点坐标（15，10）（15，11）（16，10）（16，11）溢料口节点序号（0，0）（0，21）（31，0）（31，21）（5） 长两中心入，宽两中心出进料口节点坐标（0，10）（0，11） （1，10） （1，11） （30，10）（30，11） （31， 10） （31，11） 溢料口节点序号（15，0）（15，1）（16，0）（16，1）将上述五种注射和溢出位置对冲模时间作图，如下图Filli ngtime图7不同注射方式充模时间比较图Fig.7 Filling time of differe

8、nt injection means通过比较可以发现，2种中心注射形式注射效率较高，其中长两中心入，宽 两中心出注射效率最高，而点注射、三角出的形式所用注射时间最长。根据注射 压力和流距的关系可知，注射压力沿流距的增加迅速下降,造成距注口较远位置 的压降较小,而充模效率大大降低。因此在工艺设计中应尽可能选择构件几何中 心处为注口,以满足工艺和生产要求。以下工艺参数的模拟均采用中心点注射， 四角出。3.1.2 树脂粘度的变化对注射时间的影响中心入，四角出进料口节点坐标（15，10）（15，11）（16，10）（16，11）溢料口节点序号（0，0）（0，21）（31，0）（31，21）注射压力选择

9、 0.2MPa;X、Y轴方向的渗透率为10.0X10-6cm-2树脂粘度分别取150、300、450、600、750、900cp,模拟结果如下表1:表 1 不同树脂黏度对应的注射时间树脂粘度（cp）注射时间（s）I50cp75.1861300150.3722450225.5583600300.7444750375.9305900451.1166将树脂粘度与注射时间的关系作图,如下。OGo4504LIL_u n- _u _u o _u5 5 _u 5 o 53 3 2 2 1 11 ir ?nn rnn nnRnn rn Fm qm -nnn测聒社度图 8 树脂粘度与注射时间的关系从图 8 可以

10、看出树脂粘度与注射时间成直线关系,粘度越大,注射时间 越长。树脂粘度n是RTM工艺的重要工艺参数，同时n是树脂特性及环境条 件的综合反映。n的大小直接影响树脂充模效率、注射压力的大小及纤维/ 树脂的浸润质量。由图8可看出，在其它条件均相同时，树脂粘度n对充模时 间t的影响规律为线性,采用较低树脂粘度可大大提高注射效率。3.1.3 注射压力的变化对注射时间的影响中心入，四角出 进料口节点坐标（15，10）（15，11）（16，10）（16，11） 溢料口节点序号 （0，0）（0，21）（31，0）（31，21）X、Y轴方向的渗透率为10.0X10-6cm-2树脂粘度为 50cp注射压力值分别取

11、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.5、0.7、0.9、l.IMPa；模 拟结果如下表 2。表2不同注射压力对应的注射时间注射压力（MPa）注射时间t （s）0.150.18650.1533.43010.225.0620.2520.04450.316.70090.510.03490.77.16680.95.58951.14.6263D.a DJ o.d D.G 0 8 i.a 1. 注附压力JMPDODD5 4 3 2 1图 9 注射压力与注射时间的关系从图9可以看出树脂注射压力与注射时间成反曲线关系，模拟充模时间随注射压力的增加而减小。在低压区增加注射压力可以明显缩短。充模时间，

12、 而在高压区充模时间基本不变。况且注射压力过大易造成预成型体的变形， 影响构件的使用性能。压力过大也不利于树脂充分浸润纤维增强体，会造成 干斑缺陷。实际充模时，应选择适中的注射压力。3.1.4 渗透率的变化对注射时间的影响中心入，四角出进料口节点坐标（15，10）（15，11）（16，10）（16，11）溢料口节点序号（0，0）（0，21）（31，0）（31，21）注射压力选择0.2MPa；树脂粘度为50.0cp选择不同的渗透率，模拟结果如表 3 所示：表 3 不同渗透率对应的注射时间渗透率（cm2）注射时间t （s）5.0X10-650.12416.0X10-641.77017.0X10-6

13、35.8029&0 X10-631.32759.0X10-627.846710.0X10-625.062015.0X10-616.708020.0X10-612.531025.0X10-610.024830.0X10-68.354051D 152025 3D潯透率D，scm图10 渗透率与注射时间的关系从图10可以看出，注射时间与渗透率之间存在反曲线的关系。渗透率越大， 注射时间越小。渗透率对工艺过程的影响渗透率K是纤维预成型体对注入树脂流 体的流动阻力参数, K 取决于纤维含量、预成型体微观结构及纤维/树脂的粘性 摩擦等因素。在其他条件均相同时,渗透率K对充模时间t的影响规律为反比例 关系。

14、一般，在低纤维含量时,随渗透率的增大（主要是纤维含量的降低）,充模时 间迅速减少;但纤维含量较高时（纤维含量Vf=50%时，K3.0 X 10-6cm2）,渗透率 K变化对充模时间t的影响变弱。由于高性能复合材料的Vf40%,因此Vf的变 化对充模时间的影响不会十分显著,此时充模时间的缩短应主要靠降低树脂粘度 3.1.5树脂注射过程中压力场的分布中心入，四角出 进料口节点坐标（15，10）（15，11）（16，10）（16，11） 溢料口节点序号 （0，0）（0，21）（31，0）（31，21） 注射压力选择0.2MPa；树脂粘度为50.0cp渗透率分别选择10.0X10-6cm-2在时间序号

15、n二133时的压力场分布如下（纵坐标为压力/MP）：3.2 RTM工艺模拟算法的实验验证3.2.1树脂渗透率测定通过透明上模观察树脂在恒定压力下对纤维体的浸润过程，观察树脂前锋的 流动形状，记录树脂在主方向上不同时刻的流动距离，带入达西定律，经过换算 求出渗透率：t = - X22 APk式中t为树脂流经x距离所用的时间，n为树脂粘度，AP为压力差，k为 流动方向上的渗透率。在实验中所用树脂粘度为0.05Pas,注射压力0.15MPa, 纤维层数为 7。树脂前锋在不同时刻的流动位置如下表 4：表 4 流动距离与时间X (m)T(s)x2 (m2)0.092.070.00810.115.750.

16、01210.137.800.01690.1715.470.02890.2322.420.0529以x2为自变量，t为因变量，代入SPSS19.0进行线性拟合后得出系数表:表5系数a模型非标准化系数标准系数tSig.共线性统计量B标准误差试用版容差VIF1（常量）.1451.493.097.929x2.044.005.9808.545.0031.0001.000表5系数a模型非标准化系数标准系数tSig.共线性统计量B标准误差试用版容差VIF1（常量）.1451.493.097.929x2.044.005.9808.545.0031.0001.000a.因变量：时间斜率b =代入AP和n值可求得

17、渗透率k=3.788XlO-iom2。2APk3.2.2代入渗透率模拟验证（1）实验装置2）参数预设置设定程序各项参数如表 3 所示,记为状态 A：表 3 实验参数预设值列表参数参数代号单位值模具内模x方向最大轮廓尺 寸wide moldcm18.0模具内模y方向最大轮廓尺 寸length moldcm23.0模具内模z方向最大轮廓尺 寸high_moldcm0.4X方向网格数y方向网格数计算压强分布时的迭代次数计算压强分布时的迭代精度jmax moldkmax peps24100001.0X106计算压强分布时的松弛因子relaxa tion1.0树脂x方向渗透率kx_permeabilit

18、y树脂y方向渗透率ky_permeability树脂的粘性系数注入压强注入点数目注入点坐标溢料点数目溢料点坐标mu viscosityinjec tio n pressurenumber injec tio n pressureinjec tio n poin tnumber vent pointvent poin t1.0X10-6cm21.0X10-6cm2cpMPa3.7883.78850.00.151(9,0), (9,1), (8, 1), (8, 0)1(9,23)3)模拟结果如图模拟时间为26.630147s,而实测为22.42s,模拟结果的误差为w=100%* (26.6301

19、47-22.42)/22=18.78,说明软件模拟效果较好。误差部分可能导致原 因有以下几个方面：放气口设置不均匀，导致各个节点的外部环境不一样。 实验中模具的摆放水平因素导致各节点的充模时间差异。4.结论（1）从以上模拟结果可以看出，注射口和溢料口位置对树脂流动状 态有很大影响，并且当注射口和溢料口位置一定时树脂渗透率越大、 粘度越小、注射压力越大，所需注射时间越短。注射时间与注射压力、 渗透率之间存在反曲线的关系，树脂粘度与注射时间成直线关系。（2）软件模拟与实验的吻合较好，可以用于地模拟充模实验，及进 行工艺参数的确定。5.参考文献1 复合材料 RTM 制造工艺计算机模拟分析研究. 梁志勇,段跃新,尹明仁,张佐光.航空学报J，2000, 4 （21）： 66-702 RTM工艺工字梁构件的模拟与实验研究.段跃新，孙玉敏，张佐光.航空学报J,2006,27 （ 6 ）：1223-1228