RTM模拟实验

RTM工艺模拟过程实验报告一、实验目的1.了解复合材料计算机模拟仿真技术的应用意义；2.了解复合材料计算机模拟仿真技术的组成；3.了解RTM工艺模拟分析的原理；4.了解RTM工艺数值模拟过程的影响因素。二、实验原理2.1RTM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所示。其技术难点在于软件平台的建立。图1复合材料工艺模拟分析系统工作原理图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行为可用牛顿流体通过多空介质的流动过程来描述，描述树脂流动行为的达西定律可以表示为：Pkv这里v是树脂流动速率，是树枝粘度，k是纤维布的渗透张量，P是压力。假设树脂和纤维的密度不变，即树脂为不可压缩流体，连续方程为：0zwyvxu具体模型形式为：zPyPxPkkkkkkkkkwvuzzzyzxyzyyyxxzxyxx1RTM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：22xPkt其中，t-时间（s）；-粘度（Pa·s）；P-压力（Pa）；k-渗透率（cm2）；x-树脂流动距离（cm）。三、实验内容通过RTM模拟软件对构件进行模拟分析、分析工艺条件（注射方式、压力、树脂粘度等）对RTM工艺树脂充模过程的影响规律，从而得出：（1）注射时间与树脂粘度的关系；（2）注射时间与注射压力的关系；（3）注射时间与预成型体渗透率的关系；（4）注射时间与注射口/溢料口位置的关系；（5）不同时刻模腔内的压力场分布图。四、实验结果4.1树脂粘度对注射时间的影响具体参数设置为：体系尺寸设置为长40厘米，宽60厘米，厚度为0.8厘米；将体系分成30×20的网格；注射压力为0.2MPa；体系X与Y方向渗透率均为10（单位6100.1cm2），注射点为底边中央，排气口位置为体系左上角、右上角。实验方案如下：实验组别树脂粘度cp注射压力MPa渗透率(x,y)26100.1cm注射口位置排气口位置1300.210,10底边中部左上角、右上角2400.210,10底边中部左上角、右上角3500.210,10底边中部左上角、右上角4600.210,10底边中部左上角、右上角5700.210,10底边中部左上角、右上角模拟结果如表1：表1不同树脂粘度对应的注射时间树脂粘度(cp)注射时间(s)3071.824095.7650119.7060143.6470167.58将树脂粘度与注射时间的关系作图，如下：图1树脂粘度和注射时间的关系30405060706080100120140160180timetime(s)vis(cp)从图1可以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η是RTM工艺的重要工艺参数，同时η是树脂特性及环境条件的综合反映。η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1可看出，在其它条件均相同时，树脂粘度η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。4.2注射压力对注射时间的影响具体参数设置为：体系尺寸设置为长40厘米，宽60厘米，厚度为0.8厘米；将体系分成30×20的网格；树脂粘度为30cp；体系X与Y方向渗透率均为10（单位6100.1cm2），注射点为体系底部中央，排气口位置为体系左上角、右上角。实验方案如下：实验组别树脂粘度cp注射压力MPa渗透率(x,y)26100.1cm注射口位置排气口位置1300.210,10底部中央左上角、右上角2300.310,10底部中央左上角、右上角3300.410,10底部中央左上角、右上角4300.510,10底部中央左上角、右上角5300.610,10底部中央左上角、右上角模拟结果如表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(s)0.271.820.347.720.435.730.528.570.623.82将注射压力与注射时间关系作图，如下：图2注射压力和注射时间的关系0.20.30.40.50.620304050607080time(s)P(MPa)time从图2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，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。4.3预成型体渗透率对注射时间的影响具体参数设置为：体系尺寸设置为长40厘米，宽60厘米，厚度为0.8厘米；将体系分成30×20的网格；树脂粘度为30cp；注射压力为0.2MPa，注射点为体系底部中央，排气口位置为体系左上角、右上角。实验方案如下：实验组别树脂粘度cp注射压力MPa渗透率(x,y)26100.1cm注射口位置排气口位置1200.26,6底部中央左上角、右上角2200.28,8底部中央左上角、右上角3200.210,10底部中央左上角、右上角4200.212,12底部中央左上角、右上角5200.214,14底部中央左上角、右上角模拟结果如表3：表3不同预成型体渗透率对应的注射时间渗透率(26100.1cm)注射时间(s)6,6119.708,889.7710,1071.8212,1259.8514,1451.30将预成型体渗透率与注射时间的关系作图，如下：图3预成型体渗透率和注射时间的关系6912156090120time(s)k(1x10-6cm2)time从图3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，注射时间越短。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。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，k≈3.0×10-6cm2)，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Vf≥40%，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。4.4注射口、溢料口的位置对注射时间的影响具体参数设置为：体系尺寸设置为长40厘米，宽60厘米，厚度为0.8厘米；将体系分成30×20的网格；树脂粘度为30cp；注射压力为0.2MPa。实验方案如下：实验组别树脂粘度cp注射压力MPa渗透率(x,y)26100.1cm注射口位置排气口位置1300.210,10左下角右上角2300.210,10底部中央左上角、右上角3300.210,10底部两侧顶部中央4300.210,10底部顶部两侧5300.210,10中心四个角各组实验流动时间云图如下：实验1实验2实验3实验4实验5模拟结果如表4所示：实验组别12345时间(s)107.5071.8248.6217.2821.87当注射点越接近几何中心时，充模时间越短，同时，线注射的时间要短于点注射。在实际填充过程中，必须注意注射口和排气口的相对位置，排气口一般设置在流动前锋最后到达的位置。如果排气口位置设计不对，则可能会有部分区域的空气无法被树脂赶出，形成气泡。4.5树脂注射过程中压力场的分布具体参数设置为：体系尺寸设置为长40厘米，宽60厘米，厚度为0.8厘米；将体系分成30×20的网格；树脂粘度为30cp；注射压力为0.2MPa，体系X与Y方向渗透率均为10（单位6100.1cm2），注射点为底部中央，排气口位置为体系左上角、右上角。在时间序号n=600时的压力场分布如下（纵坐标为压力/MPa）：五、结论1、粘度相当于树脂流动的阻力，体系粘度越大，树脂流动越困难，注射时间越长，且注射时间与粘度呈线性关系。2、注射压力相当于树脂的推动力，注射压力越大，对树脂的推动力越大，树脂流动越快，注射时间越短，随着注射压力进一步增大，其对注射时间的影响会变小。但是注射压力过大，会造成纤维编织物的变形，因此应选用适当的注射压力。3、渗透率影响树脂流动的难易，渗透率越大，树脂越易流动。4、注射方式实际上决定了开始充模时的流动前锋，从而影响了充模过程。六、实验收获采用计算软件对树脂流动进行提前模拟，可以发现实际操作中可能出现的问题，比如排气口设计的是否合理，注射压力是否太小，合理的注射口位置等。这个软件可以为实验的设计提供了巨大的方便，提高工作效率。通过这次试验，了解了RTM工艺的过程和基本原理，对复合材料的成型过程有了更加深入的了解。081624324000.050.10.150.2061218243036424854600.15-0.20.1-0.150.05-0.10-0.05