三維非等溫rm工藝三維仿真研究

三維非等溫rm工藝三維仿真研究

固化反應動力學方程樹脂擠出（rtm）是一種經(jīng)濟有效、適合發(fā)展中國家的加工技術。由于模具，樹脂和纖維之間的熱傳導，以及樹脂固化反應釋放的熱量，樹脂充模階段的流動是非等溫的。模具填充過程是RTM中非常重要的階段。Laurenzi等以上文獻都對RTM工藝不同階段分別進行了深入研究，但是充模階段樹脂發(fā)生固化反應必然會對固化階段產生一定影響。本文基于FLUENT軟件二次開發(fā)了三維非等溫樹脂填充固化共仿真。引入了能量方程和固化反應動力學方程。在樹脂非等溫充模過程中會產生溫度和固化度梯度。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在充模過程中生成的樹脂流動方向梯度嚴重影響固化階段溫度及固化度場平衡。與已知數(shù)據(jù)對比，結果顯示所開發(fā)程序的準確性。1數(shù)學模型1.1增強材料的液體流動與其他復合材料制備工藝相比，RTM工藝的特點是樹脂需要在復雜的預成型體中流較長距離。通過纖維增強材料的液體流動可被視為通過多孔介質的流動。在RTM中，可以通過達西定律表達通過該介質的流量，該定律是對低雷諾數(shù)(雷諾系數(shù)<1)的流動狀態(tài)的合理預測，表達式為不可壓縮樹脂流過多孔介質的連續(xù)性方程的體積平均形式可以表示為將式(2)帶入式(1)得出橢圓平均孔隙壓力的偏微分方程:1.2．纖維介質流動問題固化度場受復合制件內部溫度分布的影響。它們是產生殘余應力和固化變形的直接原因。樹脂通過纖維介質的流動是非等溫過程，在模具、纖維和樹脂之間發(fā)生熱傳遞。與反應熱相關的溫度場問題實質上是非線性內部熱源的傳熱問題。內部熱源是通過樹脂的固化反應釋放的熱量。樹脂浸漬纖維介質中的傳熱能量方程為固化階段樹脂的傳熱能方程為:該方程式中的參數(shù)有溫度T，密度ρ，比熱容c1.3固化動力學方程樹脂的固化取決于溫度，因為反應動力學隨溫度而變化。而且，反應是放熱的，因此是熱平衡和固化動力學之間的耦合。在本文中，所使用的樹脂固化反應方程為式中，k樹脂的粘度取決于溫度和固化程度。在這項研究中使用的粘度方程是被廣泛使用的模型，表達式為式中，α2基于anasasflunt的數(shù)值模擬本文使用ANSYSFLUENT軟件進行樹脂流動和固化模擬。ANSYSFLUENT求解器基于有限體積方法，該方法將計算域離散化為有限數(shù)量的控制體或單元。質量、動量和能量方程的通過標準方程式為:以上各項是不穩(wěn)定項、對流項、擴散項和源項。ANSYSFLUENT中的用戶定義功能(UDF)模塊為用戶提供了輔助開發(fā)界面。應用固化放熱源項來實現(xiàn)RTM填充固化過程的模擬。具體的仿真過程如圖2所示。首先，設置所有必要的參數(shù)，并假定充模入口處節(jié)點的控制體積樹脂含量為1。通過施加適當?shù)倪吔鐥l件來計算壓力場。這將在每個時間步結束時給出填充區(qū)域的壓力場。然后根據(jù)達西定律計算出填充區(qū)域的速度場?；谟嬎愕乃俣葓?，通過隱式時間積分方法求解能量和質量方程。根據(jù)新的溫度和固化度計算粘度值，并根據(jù)新的粘度值重復上述過程，直到滿足粘度收斂標準為止。最后，重復所有步驟，直到模具完全充滿樹脂為止。模具填充后，固化階段開始。此階段的初始條件是模具填充結束時獲得的溫度和轉化率分布，不計算速度壓力等流動方程，只計算能量方程及固化動力學方程。3充模過程模擬在本節(jié)中，使用三維H型梁示例注射口位于梁的中間，梁的端部是樹脂出口(圖3)。數(shù)值模擬預測的填充時間為198s。圖4顯示了填充后制件內部的固化程度和溫度分布。在填充階段，樹脂流過纖維時與纖維和模具之間發(fā)生熱傳遞。樹脂的溫度和固化度隨樹脂的流動而增加。由于溫度升高，樹脂固化反應的速率加快。這些會加大流動方向上溫度梯度和固化度梯度。同時，復合材料制件的導熱率低。這會導致較高的局部溫度并加劇樹脂的固化反應。由于上述原因，制件出口附近的樹脂固化度和溫度高于制件入口處。仿真結果與Tan等模具填充階段結束時的溫度和固化場對固化階段有很大影響。在填充階段之后，使用傳統(tǒng)的兩段升溫曲線來模擬溫度系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的溫度制度下，進行仿真獲得每個監(jiān)測點的溫度和固化程度的曲線(圖5)。在固化的初始階段，樹脂在注入口附近具有較低的固化度和較低的固化速率，這受填充過程的影響。充模引起的橫向溫度和固化程度的差異會影響固化過程中溫度和固化程度的均勻性。同時，由于復合材料的傳熱系數(shù)低，固化階段中心層和表面的溫度存在差異。這些也會影響部件厚度方向上固化度的均勻性。這些問題會由于熱應變和固化收縮率的差異而導致固化階段的內部應力，從而影響制件的質量，甚至損壞制件。4溫度和固化度梯度本文基于ANSYSFLUENT軟件實現(xiàn)了三維非等溫樹脂流動和固化過程的二次開發(fā)編程。仿真表明，充模過程會產生嚴重的溫度和固化度梯度。將結果與已知數(shù)據(jù)進行比較，以驗證模擬