畢業(yè)論文范文——復(fù)合材料工型肋的RTM工藝模擬與優(yōu)化

1、畢業(yè)論文復(fù)合材料工型肋的rtm工藝模擬與優(yōu)化姓 名：專 業(yè)：舟亢空電子班 級：完成日期： 指導(dǎo)教師: 摘要：采用pam-rtm模擬軟件，對變截面工型肋結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行rtm工藝注射方案設(shè)計。過程中，分別進(jìn) 行了 6種注射方案的結(jié)果模擬，從注射方式、注射參數(shù)及注射口選擇等方面進(jìn)行方案設(shè)計,對注射過程中壓 力分布、樹月旨浸潤效果及注射時間進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行綜合評定，最終得出了最優(yōu)注射方案，并將 結(jié)果用以指導(dǎo)工裝設(shè)計,成型了驗證零件。結(jié)果表明：采用計算模擬技術(shù),可替代人工試驗,進(jìn)行工藝及工 裝方案設(shè)計與制造。工型肋的擺放位置對樹脂的浸潤趨勢和注射時間影響較小，但注射口和注射方式選擇對 工型肋零件

2、的影響很大，線注射方式及端部注射的浸潤效果和效率要好于點注射及梢部注射。關(guān)鍵詞：模擬工型肋浸潤注射時間注射方式注射口民用客機(jī)較大規(guī)模地使用了碳纖維復(fù)合材料作為機(jī)體結(jié)構(gòu)件，rtm（resin transfer molding,樹脂傳遞模塑）工藝作為復(fù)合材料低成本制造工藝的代表，已成為民機(jī)領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用 的必然方向。而隨計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬代替工藝試驗已成為可能，因而相關(guān)rtmi 藝模擬研究迅速發(fā)展，以數(shù)值模擬技術(shù)實現(xiàn)工藝的虛擬設(shè)計，替代以小型試驗件以確定工藝 參數(shù)的研允方法，為工藝提供設(shè)計依據(jù)，再進(jìn)行相關(guān)制件的生產(chǎn)，這樣可以顯著降低rtm工 藝的制造成本冋。國內(nèi)的相關(guān)民機(jī)的rtm應(yīng)用資料與經(jīng)

3、驗不多，相關(guān)數(shù)值模擬工作方面的經(jīng)驗更是十分稀 少叫在本文工作屮，選取了飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的變截面工型肋為研究的典型結(jié)構(gòu)，對其開展相關(guān) 模擬工作，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行注射方案優(yōu)化，用以輔助相關(guān)工裝設(shè)計，最后通過零件的成型 驗證了模擬工作的準(zhǔn)確性和有效性。1實驗部分1.1原材料實驗所用主要原材料見表1。表1試驗用原材料table 1 experimental materials材料牌號供應(yīng)商纖維布t300, ±45°,ncf常州宏發(fā)縱橫環(huán)氧樹脂cycom890cytec1.2零件結(jié)構(gòu)變截血工型肋長601.5 mm,腹板高度156.9mm-24.3mm,腹板厚約4mm,上下緣條寬52mm,

4、厚約3mm。設(shè)計為碳纖維層板結(jié)構(gòu)。零件外形如圖1所示。圖1變截面工型肋figj drawing of t section rib1.3材料性能測試在進(jìn)行工藝模擬與零件成型之前，需積累樹脂及纖維的基礎(chǔ)工藝參數(shù)，因此要對工藝所 選取的樹脂和纖維進(jìn)行工藝特性分析，包括對纖維預(yù)成型體的鋪層進(jìn)行滲透特性分析和樹脂 體系的固化流變特性分析，以確定樹脂的固化特性、樹脂與纖維的浸潤、匹配與黏附性。纖維預(yù)成型體的滲透率是構(gòu)件成型過程中控制滲透方式和進(jìn)行樹脂流動模擬的關(guān)鍵參 數(shù)，因此，在進(jìn)行模擬和成型之前，要針對構(gòu)件所有的鋪層形式進(jìn)行滲透率測試。分別采用流變儀和滲透率測試工裝對零件預(yù)成型體和樹脂進(jìn)行了注射粘度和鋪

5、層滲透率 測試。測試結(jié)果如表2所示。表2材料性能測試結(jié)果table 2 properties of experimental materials測試項目測試結(jié)果注射粘度250cps零件腹板滲透率3.9xloum2零件緣條滲透率5.9x10'"m21.4零件注射模擬rtm工藝平板模擬與驗證，主要是通過pam-rtm軟件根據(jù)實際的實驗兒何模型建立計算網(wǎng)格模型，設(shè)定工藝參數(shù)，計算結(jié)果，然后通過實驗的手段，在同等工藝條件下研究模型在實際工藝條件下模擬結(jié)果的可信程度，即與實際結(jié)果的吻合度是否在可接受的范圍之內(nèi)。利用visual mesh軟件對變截面工型肋進(jìn)行網(wǎng)格建模，采用四角網(wǎng)格處理，

6、得到的網(wǎng) 格模型如圖2所示，并在pam-rtm軟件中將其切分成三角網(wǎng)格，模型中包含有1339個四角 網(wǎng)格及1399個結(jié)點，整個模型表面積0.1244m2o圖2變截面丄型肋的網(wǎng)格模型建立fig. 1 mesh model of t section rib分析工型肋的結(jié)構(gòu)特點可看到，工型肋為一個細(xì)長型，無明顯異型附加結(jié)構(gòu)的薄層制件,因此，基本可確定rtm成型時樹脂應(yīng)沿長度方向流動，樹脂注射口和溢料口應(yīng)分布在工型肋的長度兩端，位置可設(shè)計；可采用點注射和線注射；注射時，考慮到樹脂本身重力對流動浸潤效果的影響，工型肋的擺放位置可設(shè)計為豎放，橫放，側(cè)放。位置示意如圖3所示。豎放vertical橫放hori

7、zontal側(cè)放side圖3位置示意圖fig.3 schematic of positioned of t section rib2結(jié)果與討論首先進(jìn)行點注射模擬，注射口設(shè)計在工型肋端部邊緣中間位置，溢料口設(shè)計在梢部邊緣 中間位置，分別采用恒壓和恒流兩種方案進(jìn)行注射模擬c2恒壓端部點注射模擬（豎放）采用恒壓端部點注射時的注射口位置如圖4所示，注射壓力為0.5mp"。1*40圖4工型肋的恒壓端部點注射模擬fig.4 point and root injection simulation of t section rib with constant pressure condition由模

8、擬結(jié)果可看到，注射岀膠時間為1513s,樹脂流動基本可呈現(xiàn)均勻向前擴(kuò)散，其屮, 溢料口附近由于纖維毛細(xì)吸附作用，在樹脂的持續(xù)流動沖刷下，可能完成對纖維的浸潤，但 在注射口附近位置，由于沒有持續(xù)的樹脂流動，很難對這個位置進(jìn)行樹脂補(bǔ)償，因此可能在 成型后在這個位置出現(xiàn)貧膠。在這種注射方式下，應(yīng)考慮將注射口布置在端部余量較大的位 置，使缺膠盡量出現(xiàn)在余量線以外，制件機(jī)加時將其除去。2.2恒流端部點注射模擬（豎放）采用恒流端部點注射時的注射口位置如圖5所示。naivn圖5工型肋的恒流端部點注射模擬fig.5 point and root injection simulation of t sectio

9、n rib with constant flow condition采用恒流注射時，注射出膠時i'可為2311s,緣條梢部存在兩處浸潤不完全區(qū)域。恒壓注 射時，注射前期樹脂流動較快，隨著流動前鋒不斷向前擴(kuò)散，注溢兩端的壓力降增大，使得 注射速率逐漸減小。而恒流注射時，樹脂為勻速向四周擴(kuò)散，因此，可能在注射后期，為了 保證樹脂流動勻速，使得注射口的注射壓力增大，而注射壓力過大，則會導(dǎo)致纖維預(yù)成型體 遭樹脂沖刷變形嚴(yán)重和整個注射系統(tǒng)的操作危險程度提髙。在圖5所示的過程中，在注射后 期，注射口的注射壓力達(dá)到了 2mpa。因此，在選用恒流注射方式時，注射流量應(yīng)選擇較小值。 對于纖維體積含量較低

10、的制件，由于孔隙率較高，樹脂流動時的阻力較小，在單位長度方向 產(chǎn)生的壓力降較小，可考慮釆用恒流注射，對于高性能復(fù)合材料（v直55%）, 般釆用恒壓注 射，流量可隨注射壓力和樹脂流動阻力進(jìn)行調(diào)整，在保持樹脂浸潤的同時維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。 2.3恒壓梢部點注射模擬（豎放）采用恒壓梢部點注射吋的注射口位置如圖6所示，注射壓力為0.5mpaonrljsutlmiwl2«r>i-«圖6工型肋的恒壓梢部點注射模擬fig.6 point and tip injection simulation of t section rib with constant pressure condit

11、ion與端部注射相比，梢部點注射的注射口和溢料口位置調(diào)換。由模擬結(jié)果可看到，注射出 膠時間為7293s,這一值遠(yuǎn)超過端部注射，注射效率較低；并且，由出膠情況可看到，在端部 和梢部位置都分布有浸潤不完全區(qū)域，其中，端部在腹板和緣條處分布較多。相對端部注射, 梢部注射的注射口位置較小，樹脂流動時呈往外擴(kuò)散式流動，在端部最大尺寸處壓力降也同 時達(dá)到最大，因此，樹脂流動緩慢，出膠時間較長，端部出現(xiàn)浸潤不完全的可能性和區(qū)域也 增加。在rtm注射過程中，如果制件整體沒有較多的復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)，一般均采用大端注射， 小端溢料的方式。在以下注射模擬方案中，均釆用端部注射?？紤]到工型肋的氏度為約600mm,注射時樹

12、 脂本身的重力可能對流動造成彫響，因此，設(shè)計三種樹脂注射方向，考察樹脂注射方向?qū)α?動的影響。2.4工型肋的恒壓端部線注射模擬（豎放）采用恒壓端部線注射（豎放）時的注射口位置如圖7所示，注射壓力為0.5mpaoii圖7工型肋的恒壓端部線注射模擬（豎放）fig.7 line and root injection simulation of t section rib with constant pressure condition(vertical)由模擬結(jié)果可看到，注射出膠時間為1541s,與端部點注射相比，出膠時間基本持平。但 在端部沒有出現(xiàn)樹脂浸潤不完全區(qū)域，并且，在梢部位置，出現(xiàn)浸潤問題

13、的區(qū)域面積明顯減 小。由于采用線注射，在制件腹板高度方向，樹脂同時向前流動，相比端部點注射，無需從 高度中點位置向兩邊擴(kuò)散，因此可避免在緣條端部區(qū)出現(xiàn)樹脂浸潤問題。同時，在梢部區(qū)域, 樹脂流過緣條的吋間和難度減小，使得浸潤問題出現(xiàn)的可能性減小。2.5工型肋的恒壓端部線注射模擬（側(cè)放）釆用恒壓端部線注射（側(cè)放）時的注射口位置與上一方案相同，注射壓力為0.5mpa。模 擬結(jié)果女口圖8所不。圖8工型肋的恒壓端部線注射模擬（側(cè)放）fig.8 line and root injection simulation of t section rib with constant pressure condil

14、ion（side）與豎放相比，側(cè)放的出膠時間為2078s,注射出膠時間比豎放略長。豎放時，樹脂可基本 均勻沿流動方向浸潤，而側(cè)放時，由于樹脂重力作用，在上下緣條的浸潤會產(chǎn)生時間差，因 此，達(dá)到溢料口的時刻不同，一般在rtm工藝屮，若制件屮某區(qū)域比其余區(qū)域先完成浸潤， 達(dá)到溢料口，則會造成樹脂流動形成“快速流道"，影響其余區(qū)域的樹脂浸潤，所需時間增加， 從而導(dǎo)致整個制件的浸潤時間增加。從出膠情況看，效果與豎放基本一致，均在上下緣條梢 部有少量浸潤問題出現(xiàn)。2.6工型肋的恒壓端部線注射模擬（橫放）采用恒壓端部線注射（橫放）時的注射口位置與上一方案相同，注射壓力為0.5mpa，模 擬結(jié)果如

15、圖9所示。1mms.riti*« t.fw3圖9工型肋的恒壓端部線注射模擬（橫放）fig.9 line and root injection simulation of t section rib with constant pressurecondition（horizontal）釆用橫放方式時，出膠時間較側(cè)放方式略長，為2612so從填充前鋒形狀和位置及壓力分 布結(jié)果可看到，樹脂流動結(jié)果與側(cè)放及豎放差別較小。從以上三種注射方式對比可得出結(jié)果，對于大尺寸大厚度制件，由于樹脂注射時所需的 樹脂量較多，樹脂浸潤吋i'可長，導(dǎo)致樹脂重力造成的區(qū)域浸潤吋間差尤其明顯，因此容易造 成

16、區(qū)域樹脂浸潤不完全。對于小尺寸薄壁制件，所需的樹脂量及樹脂浸潤時間較少，導(dǎo)致的 樹脂區(qū)域浸潤差異較小，造成區(qū)域樹脂浸潤問題的可能性較小。而三種注射方式均可能出現(xiàn) 的梢部邊緣干斑，則可通過在實際制造過程中適當(dāng)延長注射時間，使得樹脂的富余流動能浸 潤可能出現(xiàn)的干斑區(qū)域表3六種注射方式對比結(jié)果table 3 contrast results of 6 injection simulations序號注射方式樹脂控制方式岀膠時間可能岀現(xiàn)缺陷位置1端部點注射（豎放）恒壓1513s端部、梢部2端部點注射（豎放）恒流2311s梢部3梢部點注射（豎放）恒壓7293s端部、梢部4端部線注射（豎放）恒壓1541s梢

17、部5端部線注射（側(cè)放）恒壓2078s梢部6端部線注射（橫放）恒壓2612s梢部綜合六種注射方式對比可得出結(jié)果，如表3所示，端部點注射與線注射均可用于變截面 工型肋的rtm注溢口設(shè)計，出膠及樹脂浸潤效果基本一致。制件注射時的擺放位置對注射效果影響較小，從出膠時間來看，豎放方式優(yōu)于橫放及側(cè)放方式。為保證層間樹脂浸潤的均勻 性，最終確定為端部線注射（豎放）為最優(yōu)的注射方案。在工型肋的成型工裝設(shè)計與制造屮, 將分別在工裝的端部和梢部中點布置樹脂注射口與溢料口。2.7工型肋的工裝設(shè)計及rtm成型在上下緣條模板對合面開單道密封槽，利用耐高溫硅橡膠密封條進(jìn)行密封，兩側(cè)上下緣 條蓋板在邊緣合模處設(shè)置密封槽。根

18、據(jù)工型肋的注射模擬結(jié)果，在工裝的端部和梢部分別布 置注射口和溢料口；并在工裝梢部位置設(shè)置密封槽，用以密封梢部蓋板，工裝設(shè)計如圖10。圖10工型肋設(shè)計工裝fig. 10 tooling design of t section rib圖11工型肋成型零件figl manufacturing part of t section rib完成工型肋預(yù)成型體裝模后，連接注射管路，模具置入烘箱進(jìn)行加熱，將模具豎直放置, 分別在端部和梢部布置測溫?zé)犭娕?，將模具溫度升?0°c,再將rtm注射機(jī)與模具相連，樹 脂加熱至90°c時開始注射，設(shè)定注射壓力為0.5mpa,待溢料口樹脂出膠后繼續(xù)注射

19、，直至溢 料口處樹脂無氣泡。實際測得出膠時間為1800s左右，與模擬結(jié)果1541s基本吻合。完成注射后，關(guān)閉注射口及溢料口處閥門，模具升至180°c,保溫2h后關(guān)閉烘箱，待模 具冷卻至60°c以下對工型肋進(jìn)行脫模，機(jī)加，無損檢測等處理。采用rtm成型變截血工型肋 如圖11所示。經(jīng)目測，制件表而光滑，沒有貧膠及干斑等缺陷出現(xiàn)，說明在成型過程屮，工藝參數(shù)的 選擇正確，注射口及溢料口位置選擇適當(dāng)。采用無損a掃描對內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果 表明內(nèi)部無宏觀缺陷產(chǎn)生。結(jié)論(1) 對工型肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行rtm成型模擬，分析了不同樹脂注射控制方式(恒流或恒壓)、注射 方向(考慮樹脂重力影響)及注溢口選擇刈樹脂流動的影響，優(yōu)化出最佳注射方案：恒壓工 型肋端部線注射，并確定了最優(yōu)注射壓力0.5mpa；(2) 根據(jù)模擬優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計與制造了工型肋rtm成型工裝，并采用rtm工藝成型了變截 面工型肋典型驗證件，成型質(zhì)量與模擬結(jié)果基本吻合。以上結(jié)論說明，以pam-rtm軟件對rtmi藝進(jìn)行模擬，基本可替代實驗以確定工藝參 數(shù)，為工裝制造及成型工藝提供設(shè)計依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 邱嬪嬌，段躍新，梁志勇.rtm工藝參數(shù)對樹脂充模過程影響的模擬與實驗研究.復(fù)合材料學(xué)報,20