大型薄殼制件真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑工藝充模方案仿真分析及優(yōu)化1)

劉誠(chéng) 許子涵 花軍 徐碩

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

隨著復(fù)合材料制備工藝技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)大尺寸制件需求的增加，短生產(chǎn)周期、低成本、環(huán)保型復(fù)合材料成型技術(shù)成為近年來(lái)復(fù)合材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)工藝是一種典型的液態(tài)復(fù)合材料成型工藝(見(jiàn)圖1)：將纖維預(yù)制體置于模具表面，并鋪設(shè)用以改善滲透性和樹(shù)脂流動(dòng)性的導(dǎo)流介質(zhì)；設(shè)置樹(shù)脂的入口、出口、流道后，用真空膜袋密封；利用真空泵產(chǎn)生的模腔內(nèi)外壓力差，推動(dòng)樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維預(yù)制體，樹(shù)脂固化后脫模成型，完成制件加工。VARTM加工過(guò)程采用整體閉模成型，制件整體表面光潔度和尺寸精度高，極大提高成型效率的同時(shí)可節(jié)約制造成本[1-2]。

圖1 VARTM工藝制備薄殼體制件示意圖

大型薄殼制件充模方案的設(shè)計(jì)是VARTM工藝技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，會(huì)直接影響充模過(guò)程中樹(shù)脂的流動(dòng)行為、模具內(nèi)壓力變化和完整充模時(shí)間等；樹(shù)脂注膠流道設(shè)計(jì)、注膠口和溢膠口的位置設(shè)計(jì)是否合理有效，是影響充模產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[3]。傳統(tǒng)的模具樹(shù)脂流道設(shè)計(jì)是以工程試驗(yàn)加經(jīng)驗(yàn)，采用試錯(cuò)的方法完成的；但實(shí)際生產(chǎn)中，樹(shù)脂流動(dòng)軌跡復(fù)雜，且大型薄殼制件的模具制作過(guò)程復(fù)雜、試驗(yàn)周期長(zhǎng)，僅靠工程試驗(yàn)很難掌握樹(shù)脂在復(fù)雜結(jié)構(gòu)預(yù)制體中的流動(dòng)狀態(tài)[4]。若在實(shí)際生產(chǎn)布置注膠流道之前，借助數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)樹(shù)脂在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬仿真，不僅可以縮短產(chǎn)品研制周期、減少瑕疵件的產(chǎn)出比例，而且能夠減少人工成本和研發(fā)投入，提高制件的力學(xué)性能和質(zhì)量[5-6]。許多研究者通過(guò)數(shù)值模擬方法研究充模工藝中樹(shù)脂流動(dòng)規(guī)律。江順亮[7]提出樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)充模分析的隱式控制體積法及其迭代方法，改善了隱式方法的迭代過(guò)程；楊波等[8]提出了依據(jù)混合網(wǎng)格方法的VARTM充模仿真算法；Dong[9]提出了利用響應(yīng)面法建立流動(dòng)模型，用以指導(dǎo)工藝參數(shù)和導(dǎo)流介質(zhì)的選擇。但針對(duì)大型薄殼制件的充模方案選擇和優(yōu)化研究仍然較少。本文通過(guò)仿真分析對(duì)比樹(shù)脂在大型薄殼制件中不同寬度部分的流動(dòng)過(guò)程、壓力分布，運(yùn)用將流道布置在制件面積等分線上的方法，改變注膠流道和溢膠口的布置方式，以減少充模時(shí)間和樹(shù)脂富集現(xiàn)象，達(dá)到更好的生產(chǎn)效果。

1 研究方法

1.1 樹(shù)脂充模過(guò)程基本控制方程的構(gòu)建

對(duì)于大型薄殼制件，樹(shù)脂在纖維預(yù)制件中的流動(dòng)過(guò)程，可以看作不可壓縮牛頓流體通過(guò)多孔介質(zhì)的過(guò)程。忽略熱交換和質(zhì)量交換，樹(shù)脂黏度和密度不隨過(guò)程變化，且纖維只存在浸潤(rùn)區(qū)域和未浸潤(rùn)區(qū)域，即浸潤(rùn)部分樹(shù)脂完全飽和[10-11]，用達(dá)西定律(Darcy’s Law)描述流體的運(yùn)動(dòng)方程，其表達(dá)如式(1)。

v=(K/η)·P。

(1)

式中：v為樹(shù)脂流動(dòng)速度(單位為m/s)；K為纖維預(yù)制件滲透率(單位為m2)；η為樹(shù)脂黏度(單位為Pa·s)；P為壓力梯度(單位為Pa/m)。

由于大型薄殼型制件長(zhǎng)度、寬度遠(yuǎn)大于厚度，樹(shù)脂的流動(dòng)狀態(tài)主要由在二維面上的流動(dòng)決定；忽略厚度方向的流動(dòng)后，充模過(guò)程可用二維流動(dòng)仿真描述[12]。二維平面上的達(dá)西定律為式(2)。

(2)

式中：vx、vy為笛卡爾坐標(biāo)系流場(chǎng)中x軸、y軸的速度矢量(單位為m/s)；Kxx、Kxy、Kyx、Kyy為二階滲透率張量(單位為m2)。

假設(shè)模具是不可變形的，不可壓縮牛頓流體的連續(xù)性方程為式(3)。

(?P/?x)+(?P/?y)=0。

(3)

當(dāng)選取的坐標(biāo)系方向與纖維預(yù)制件方向相同時(shí)，交叉項(xiàng)滲透率矢量為0[13-14]，此時(shí)將式(3)代入式(2)可得 VARTM 樹(shù)脂充模過(guò)程的基本控制方程(見(jiàn)式(4))。

(4)

控制方程描述了樹(shù)脂流過(guò)多孔介質(zhì)的規(guī)律，可通過(guò)給定邊界參數(shù)求解樹(shù)脂流動(dòng)的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)。

1.2 仿真模型的構(gòu)建

本研究以40 m風(fēng)機(jī)葉片外殼作為典型的大型薄殼制件為例，進(jìn)行仿真研究。選取葉片迎風(fēng)面外殼部分，采用三節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行離散處理，整體模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為15 672、單元格數(shù)為29 463(見(jiàn)圖2)。

圖2 風(fēng)機(jī)葉片外殼單元格模型

按照GB/T 25383—2010《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 風(fēng)輪葉片》相關(guān)規(guī)定，葉片的增強(qiáng)體材料選取為E型玻璃纖維、樹(shù)脂選取為環(huán)氧樹(shù)脂(EP)。具體參數(shù)：葉片外殼整體長(zhǎng)度40 m、X方向滲透率4.35×10-9m2、Y方向滲透率3.53×10-9m2、樹(shù)脂黏度260 mPa·s、螺旋管內(nèi)徑4 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 充模過(guò)程的模擬仿真

由于風(fēng)機(jī)葉片外殼軸向尺寸較大，其厚度可以忽略不計(jì)，葉片外殼可以看作細(xì)長(zhǎng)的板件結(jié)構(gòu)；因此，首先考慮單向法注膠，在確定樹(shù)脂大致流向的基礎(chǔ)上，確定注膠口、溢膠口、注膠流道的位置布置和結(jié)構(gòu)尺寸。充模面積較大的制件，采用注膠流道的方式效率最高。采用此方式相當(dāng)于數(shù)個(gè)注膠口同時(shí)作用，增加了樹(shù)脂在浸入纖維預(yù)制件時(shí)的瞬時(shí)注入量；考慮到葉片的機(jī)構(gòu)尺寸較大，橫向尺寸的變化在樹(shù)脂流動(dòng)中較為平緩可以忽略不計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生樹(shù)脂流動(dòng)速度不同而產(chǎn)生的樹(shù)脂固化不均勻現(xiàn)象；依據(jù)現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)和注射方法，設(shè)計(jì)4種不同注膠方案(見(jiàn)圖3)。

圖3 不同注膠方案示意圖

經(jīng)仿真計(jì)算分析可得(見(jiàn)表1)，4種方案中樹(shù)脂均能完整流經(jīng)纖維預(yù)制件，且無(wú)干斑、氣泡等瑕疵產(chǎn)生；但是，完整充模時(shí)間和模腔內(nèi)壓力分布有較大差異(見(jiàn)圖4)。方案1與方案2區(qū)別，主要為注膠口位置不同，同時(shí)注膠流道長(zhǎng)度發(fā)生變化。方案2完整充模時(shí)間較方案1縮短了近2/3，由于葉片外殼結(jié)構(gòu)狹長(zhǎng)，在葉片寬度減小時(shí)，流經(jīng)纖維邊界的樹(shù)脂前鋒流動(dòng)速度基本能夠與均速保持相等，樹(shù)脂的流動(dòng)方向不是影響充模時(shí)間的主要因素；方案2的注膠流道布置于葉根，流道長(zhǎng)度為4.16 m，遠(yuǎn)大于方案1注膠流道長(zhǎng)度(0.76 m)，可以得出影響2種方案充模時(shí)間的因素為注膠流道的長(zhǎng)度，流道越長(zhǎng)，樹(shù)脂的瞬時(shí)注入量大，單位時(shí)間內(nèi)浸潤(rùn)樹(shù)脂的面積越大，從而可以提高充模效率。方案3和方案4，考慮了流道長(zhǎng)度和樹(shù)脂流動(dòng)距離對(duì)充模時(shí)間的影響，增加了流道長(zhǎng)度，并且從葉片中選擇鋪設(shè)注膠流道兩端抽氣，樹(shù)脂可同時(shí)向兩個(gè)方向流動(dòng)，縮短流動(dòng)距離。方案3采用葉片流道最寬處注膠，極大增加了流道長(zhǎng)度，但方案3流道長(zhǎng)度比方案4長(zhǎng)1.55 m，充模時(shí)間卻比方案4長(zhǎng)23.3%；由仿真結(jié)果分析可知，方案3中樹(shù)脂充模前鋒到達(dá)葉根時(shí)，向反方向流動(dòng)的樹(shù)脂還未到達(dá)葉尾，需不斷注入樹(shù)脂，會(huì)造成不必要的樹(shù)脂流失，增加工藝成本。方案4采用葉片中線注膠，具有注膠流道長(zhǎng)和樹(shù)脂流動(dòng)距離短的優(yōu)點(diǎn)，完整充模時(shí)間最短。

表1 4種注膠方案及仿真結(jié)果

同時(shí)，模腔內(nèi)整體壓力偏低，不利于推動(dòng)樹(shù)脂流動(dòng)，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)可以繪制模腔中任意一點(diǎn)的壓力-時(shí)間曲線?，F(xiàn)選取方案1，觀察a點(diǎn)(距葉尾2 m)、b點(diǎn)(距葉尾20 m)、c點(diǎn)(距葉根2 m)3點(diǎn)壓力變化，繪制壓力-時(shí)間曲線(見(jiàn)圖5)。由圖5可見(jiàn)，b、c點(diǎn)在樹(shù)脂流經(jīng)時(shí)帶來(lái)的壓力差已經(jīng)很小，充模速度緩慢。

盡管方案4具有最優(yōu)完整充模時(shí)間，但是隨著樹(shù)脂前鋒流動(dòng)帶來(lái)的壓力差減少，樹(shù)脂流速會(huì)減慢；葉根部分樹(shù)脂提前完成浸潤(rùn)會(huì)造成部分樹(shù)脂未及時(shí)從溢膠口溢出，導(dǎo)致少量樹(shù)脂堆積或者向四周回流；流失的樹(shù)脂體積達(dá)到了注入樹(shù)脂體積的1/19，浪費(fèi)過(guò)多樹(shù)脂。對(duì)于葉片的注膠流道位置和溢膠口的數(shù)目選擇，仍有可優(yōu)化空間。

2.2 充模方案優(yōu)化

根據(jù)上述方案仿真結(jié)果，選取盡可能長(zhǎng)的注膠流道，合理設(shè)置流道位置以減少樹(shù)脂流動(dòng)的距離，同時(shí)盡量保證模具內(nèi)壓力充足，使葉片四周同時(shí)浸潤(rùn)，可以縮短完整充模時(shí)間，減少樹(shù)脂浪費(fèi)。根據(jù)方案4中前鋒位置和壓力隨時(shí)間的變化，可得到表2、表3。由表2數(shù)據(jù)可得，流向葉尾的樹(shù)脂提前完成了浸潤(rùn)流出充模系統(tǒng)，葉尾部分較為狹長(zhǎng)，雖然流程長(zhǎng)度方向與流向葉根部分相等，但表面積不同。觀察樹(shù)脂充模云圖，得到樹(shù)脂浸潤(rùn)面積的網(wǎng)格數(shù)，經(jīng)計(jì)算，7 200 s時(shí)流道兩側(cè)的樹(shù)脂浸潤(rùn)面積大致相同，可以考慮將充模流道設(shè)置在垂直于制件長(zhǎng)度方向的面積等分線上，使得制件內(nèi)樹(shù)脂浸潤(rùn)均勻并且減少流失樹(shù)脂量。由方案4可知，在距離流道較遠(yuǎn)的狹窄區(qū)域充模壓力損失大，可通過(guò)增添流道的方式，補(bǔ)充樹(shù)脂和模腔壓力差，以達(dá)到四周同時(shí)浸潤(rùn)的目的。

圖4 4種方案完整充模時(shí)間仿真云圖

圖5 方案1中3點(diǎn)壓力-時(shí)間變化曲線

樹(shù)脂在面積相等且長(zhǎng)度寬度相近的制件中的充模時(shí)間是大致相等的，通過(guò)將大型薄殼制件表面積均分可以將制件表面分為長(zhǎng)度寬度接近的幾個(gè)部分，使狹長(zhǎng)的薄殼制件兩端同時(shí)浸潤(rùn)樹(shù)脂。增加溢膠口，可使樹(shù)脂均勻流出制件，減少樹(shù)脂在邊界處的回流和堆積。現(xiàn)設(shè)置3種優(yōu)化方案，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

經(jīng)仿真分析可得，3種優(yōu)化方案完整充模時(shí)間分別為17 036、9 065、9 071 s。充模方案2的充模時(shí)間最短且無(wú)明顯缺陷，充模速度比單流道方案1提高了46.8%，充模時(shí)間與方案3相近，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了人工鋪設(shè)流道的成本，為最優(yōu)充模方案。

表2 方案4中不同充模時(shí)間樹(shù)脂前鋒位置

表3 方案4中不同位置隨時(shí)間變化的壓力值

表4 3種優(yōu)化方案具體參數(shù)

注：溢膠口個(gè)數(shù)，4個(gè)均布于葉尾、10個(gè)均布于葉根。

由圖6可見(jiàn)：優(yōu)化方案2中，充模前鋒到達(dá)葉根和葉尾的時(shí)間大致相同，未產(chǎn)生干斑和樹(shù)脂富集的缺陷，極大減少了樹(shù)脂流失浪費(fèi)；注膠流道數(shù)量少、分布形式清晰簡(jiǎn)潔，不會(huì)提高實(shí)際生產(chǎn)中的人工鋪設(shè)和物料成本；同時(shí)，雙注膠流道可以持續(xù)提供壓力差，以推動(dòng)樹(shù)脂流動(dòng)，減少速度流失，縮短充模時(shí)間。雖然優(yōu)化方案3流道數(shù)量最多，注入的樹(shù)脂量最大，但是并未提高充模速度，原因主要是第三流道注入樹(shù)脂帶走部分壓力差(見(jiàn)圖7)，導(dǎo)致較細(xì)長(zhǎng)的葉尾部分壓力比優(yōu)化方案2有所減少，樹(shù)脂流動(dòng)速度變慢；且流道過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致間距變小，樹(shù)脂前鋒未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，樹(shù)脂匯集后會(huì)產(chǎn)生注膠不均勻現(xiàn)象，影響葉片的性能和質(zhì)量。

圖6 優(yōu)化方案完整充模時(shí)間仿真云圖

圖7 優(yōu)化方案模腔內(nèi)壓力仿真云圖

根據(jù)上述分析表明：注膠流道的鋪設(shè)位置決定了流道長(zhǎng)度和樹(shù)脂流動(dòng)距離，是影響產(chǎn)品質(zhì)量和工藝成本的主要因素。優(yōu)化后的注膠方案核心參數(shù)為：采用雙注膠流道注射；注膠流道分別置于距葉尾18.38、26.00 m處，方向垂直于葉片的軸向；流道長(zhǎng)度分別為5.18、3.96 m；注膠壓力為真空負(fù)壓0.1 MPa。

3 結(jié)論

對(duì)于不便進(jìn)行試驗(yàn)試錯(cuò)法進(jìn)行VARTM工藝充模方案設(shè)計(jì)的大型薄殼制件，可以采用數(shù)值模擬的方式，以達(dá)西定律、能量守恒定律等為計(jì)算依據(jù)，求解壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，對(duì)比不同仿真方案的充模時(shí)間等數(shù)據(jù)，合理安排注膠方式方法，指導(dǎo)VARTM工藝制備大型復(fù)合材料制件合理安排注膠方式，提高生產(chǎn)率、減少因樹(shù)脂浸潤(rùn)不均勻產(chǎn)生的缺陷。

對(duì)于大型薄殼類制件，忽略厚度方向尺寸，影響充模時(shí)間的主要因素為流道長(zhǎng)度和樹(shù)脂流動(dòng)距離。選取盡可能長(zhǎng)的注膠流道，合理設(shè)置流道位置，以減少樹(shù)脂流動(dòng)的距離；長(zhǎng)流道可以增加樹(shù)脂瞬時(shí)注入量、提高較長(zhǎng)時(shí)間的壓力差；而樹(shù)脂流程越長(zhǎng)，樹(shù)脂前鋒處壓力損失越大，流速越慢。

提出了制件填充面積等分處設(shè)置流道的方法。將大型薄殼工藝制件充模面積等分，注膠流道布置在垂直于制件長(zhǎng)度方向的面積等分線上，可縮短充模時(shí)間，并減少制件兩端的樹(shù)脂富集現(xiàn)象。對(duì)于較狹長(zhǎng)部分，可再次進(jìn)行面積等分設(shè)置流道，以免造成樹(shù)脂流程過(guò)長(zhǎng)壓力流失過(guò)多；而對(duì)于較寬闊部分，不宜設(shè)置過(guò)多流道，以免樹(shù)脂前鋒穩(wěn)定前互相接觸造成制件充模不均勻。

采用制件填充面積等分處設(shè)置流道的方法，對(duì)于本文例中的40 m風(fēng)機(jī)葉片外殼而言，較理想的方案為采取雙流道注射，流道分別布置在距葉尾 18.38、26.00 m處，對(duì)應(yīng)的流道長(zhǎng)度分別為5.18、3.96 m；葉尾和葉根處分別均布4個(gè)、10個(gè)溢膠口。由仿真結(jié)果驗(yàn)證獲得了較好的效果。