肖　飛，　原崇新，　叢晶潔

(北京民用飛機技術研究中心， 北京 102200)

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復合材料加筋壁板結構件VARI液體成型工藝計算模擬

肖飛，原崇新，叢晶潔

(北京民用飛機技術研究中心， 北京 102200)

通過注模模擬軟件PAM-RTM可以預測復合材料液體成型工藝中樹脂的流動時間和模擬樹脂的流動形式。滲透率是成型工藝模擬中重要的參數(shù)，面內和面外滲透率通常采用復雜且昂貴的封閉模具來測試，本工作自建了一套結構簡單、操作方便且成本低廉的模具，使用真空輔助樹脂灌注(VARI)工藝可獲得準確的面內和面外滲透率參數(shù)。采用一種簡單的等效建模方法，通過分層建模方法建立了有限元模型。將滲透率參數(shù)輸入模擬注模軟件PAM-RTM中，將使用等效建模方法所得模擬計算結果與實驗液體成型結果進行了比較。計算模擬樹脂充模時間為254 s，比實驗工藝樹脂充模時間(301 s)短。在使用等效建模方法的流道布局基礎上，制備了加筋壁板結構件，對所選方案進行了工藝驗證。

VARI；加筋壁板；面內滲透率；面外滲透率；PAM-RTM

近年來國際復合材料領域一直專注于研究高性能復合材料的低成本制造技術。為了降低復合材料成本，美國實施了“買得起的復合材料結構”計劃 ( Affordable Advanced Composites Structure，ACS)和“先進復合材料技術”計劃(Advanced Composites Technology，ACT)[1-3]。目前已開發(fā)了樹脂傳遞模塑成型(Resin Transfer Molding，RTM)，真空輔助樹脂滲透技術(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI)，樹脂膜滲透工藝(Resin Film Infusion，RFI)，自動鋪放和采用大絲束纖維等低成本制造技術。在低成本制造技術方面，美國在1996～2007年間開展了為期10余年的多階段CAI(Composite Affordability Initiative,CAI)計劃[4-5]。VARI工藝是一種低成本的非熱壓罐液體成型技術，被CAI計劃作為一項關鍵低成本制造技術。VARI工藝已在航空航天領域得到越來越廣泛的應用[6-7]。

VARI工藝與傳統(tǒng)的RTM工藝相比，VARI工藝使用一個單面的剛性模具和一個簡單的真空袋，單面模具用來鋪放纖維增強體，復合材料制件的外表面鋪覆柔性的真空袋薄膜，有效地降低了模具制造成本[8-9]。VARI更適合成型大厚度、大尺寸的制件，制件的空隙含量小，性能與熱壓罐工藝接近，而且可大大降低能源消耗及有害氣體排放[10-11]。美國洛克希德馬丁公司、波音公司、美國宇航局等在該技術上開展了大量研究工作，并已在“三叉戟”導彈等型號產品上應用。歐洲防務公司于2007年研制成功的A400M運輸機的貨艙門[12-13]，需承受較大的氣密載荷，對構件的質量要求很高，成型方法為先將蒙皮和長桁預制成為干態(tài)纖維預成型體，通過VARI工藝使樹脂在真空作用下滲透到蒙皮和長桁的各個區(qū)域，然后在烘箱中固化成型。

在采用VARI工藝制造復合材料加筋壁板結構件的過程中，增強纖維的浸潤是通過真空吸入樹脂來實現(xiàn)的。樹脂的浸潤常受到纖維鋪疊方式、真空管道的排布和導流方式的影響，不合理的流道設計常導致復合材料制件產生干斑、富脂和孔隙[14]過多等缺陷，最終會影響復合材料制件的性能[15-16]。對于加筋壁板的長桁的兩端部位，纖維的變形較大。長桁的樹脂不同于蒙皮中樹脂的滲透，對于大型結構件，傳統(tǒng)的VARI工藝要進行大量的預先流道設計實驗和經(jīng)驗來確定工藝設計方案，由此延長了產品研制周期，并浪費了財力物力[17-18]。利用計算機輔助模擬對VARI工藝中樹脂流動進行模擬研究，可在低成本條件下獲得指導實際工藝的數(shù)據(jù)。

PAM-RTM是可以滿足RTM和VARI等液體成型工藝的計算模擬軟件，能夠模擬樹脂在預成型體中的流動狀態(tài)、壓力分布及充模時間等[19-20]。

滲透率是VARI工藝計算模擬需要獲得的非常關鍵的參數(shù)[21]。大多數(shù)的面內滲透率的測試采用RTM封閉模具，而面外滲透率通常采用特制的復雜且昂貴的封閉模具來測試[22-24]。本研究制造了一套使用VARI工藝的結構簡單、操作方便且成本低的模具來獲得準確的滲透率參數(shù)。對于結構復雜的長桁結構，如果按照結構件實際的鋪層結構進行建模非常復雜，費時費力，模擬計算量大，計算周期較長，本研究采用一種等效建模方法，將該方法所得計算模擬結果與實驗液體成型工藝進行了比較。另外，通過分層建模方法建立了加筋壁板的有限元模型。兩種建模方法采用不同的流道設計方案得到不同的計算模擬結果，選擇最優(yōu)的設計方案與實驗液體成型工藝進行了比較。

1　實驗材料及方法

1.1實驗材料

實驗材料的性能參數(shù)如表1所示。某項實驗樹脂用室溫下的玉米油代替。環(huán)氧樹脂Axson和Huibai的密度均為1.15 g/cm3，測試溫度為室溫。碳纖維平紋織布,江蘇恒神纖維材料有限公司；Axson樹脂,上海藹科頌化工產品有限公司；Huibai樹脂,上?；莅匦虏牧峡萍脊煞萦邢薰?；玉米油為生活用油，超市購買；導流網(wǎng)由airtech公司提供。

表1　實驗材料

滲透率測試項目如表2所示。滲透率測試碳纖維布均為矩形鋪層。采用單向法(Unidirectional， UD)測量滲透率，增強體的滲透率K1的方向自動設定為與纖維經(jīng)線(warp)取向一致。緯線(weft)的方向可以完全忽略，并且滲透率K2與K1正交。本研究采用0/90正交碳纖維織布，K2垂直于K1，并且K1=K2。故采用單向法測量時，只測定了K1。除了測定一層導流網(wǎng)(distribution media)的面內滲透率外，還測定了整體鋪層設計導流網(wǎng)/脫模布/10層碳纖布的面內滲透率。K3為鋪層面外滲透率。由于導流網(wǎng)的特殊結構，面外滲透率測定困難，故根據(jù)實驗測定的面內滲透率值，對面外滲透率估定了一個比較值。

表2　滲透率測試項目

1.2實驗方法

1.2.1面內滲透率測試

鋪疊織物在真空壓實狀態(tài)下的體積分數(shù)由下式計算出[25]：

(1)

式中：Vf為纖維的體積分數(shù)；ρsup為織物的面密度；N為鋪疊織物層數(shù)；ρf為平紋織布的密度；h為鋪疊好的織物在真空狀態(tài)下的厚度，由數(shù)顯厚度千分表測定。

由達西定律可以推導出滲透率計算公式[26]：

(2)

式中：L2為樹脂沿纖維方向流動長度的平方；t為相應流動時間；K為滲透率；η為黏度，由數(shù)顯旋轉黏度計測出；φ為孔隙率，由φ=1-Vf計算得到。

面內滲透率測試在測試模具的水平面內進行，如圖1所示，在預成型體寬度方向上居中取一點A，每隔3 cm的距離畫標記線，當流動前鋒到達標記線時，記錄到達A點的時間ti，相應的流動距離為3n。類似在沿樹脂流動方向上得到一系列的點(3n，ti)(n=0，1，2…；i=0，1，2…)。整個記錄過程由攝像機完成，然后在視頻中，由時間倒推出樹脂流動前鋒。由系列點(3n，ti)擬合出直線，由該直線的斜率k計算出滲透率K。

圖1　面內滲透率測試裝置示意圖Fig.1　　　　Schematic diagram of experiment set-up for in-plane permeability

1.2.2面外滲透率測試

面外滲透率測試裝置如圖2所示，在預成型體的上下表面分別鋪設高滲透率的導流介質，使樹脂首先沿導流介質在面內快速流動，然后沿預成型體厚度方向流動，這樣可以使樹脂流動前鋒保持在同一高度。在預成型體的邊緣使用雕塑土以避免流體發(fā)生邊緣效應，另外在使用真空袋封裝的時候，可以避免邊緣真空袋架橋和產生褶皺。使用食用油代替樹脂做測試流體，在開始實驗前，在食用油中加入工業(yè)油溶色素，可以使染色的樹脂流動前鋒更容易在攝像機記錄視頻中識別出。面外滲透率計算公式與面內滲透率計算公式相同，使用整個過程的樹脂流動時間和流動距離作為計算數(shù)值。

圖2　面外滲透率測試裝置示意圖Fig.2　　　　Schematic diagram of experiment set-up fortransverse permeability

1.2.3三維實體模型的建立及網(wǎng)格劃分

圖3(a)為加筋壁板結構件的3D實體模型，蒙皮部分的鋪層設計為[90/0/90/0/90/0/90/0/90/0]，共計10層，鋪層的厚度約為2.5 mm。筋條部分首先鋪放數(shù)層裁制好的碳纖織布，筋條內部壓實定量的單向帶。整個三維實體結構蒙皮部分結構簡單均一，沒有厚度變化，整根筋條特別是在兩端纖維鋪層部位變形較大，結構不規(guī)整，在網(wǎng)格劃分中，筋條部分的端部進行了適度的簡化。通過Hypermesh網(wǎng)格劃分軟件對結構件進行了三角單元網(wǎng)格劃分和流動區(qū)域劃分，如圖3(b)和圖3(c)所示，圖3中的不同顏色的區(qū)域表示材料的滲透率不同。

圖3　加筋壁板結構件CAD模型的建立及網(wǎng)格劃分　(a)3D實體模型；(b)等效有限元網(wǎng)格；(c)分層有限元網(wǎng)格Fig.3　　　　Stiffened panel CAD model and finite element mesh generation　(a) 3D solid model; (b) equivalent FEM mesh; (c) layerwise FEM mesh

2　結果與討論

2.1導流網(wǎng)/脫模布的滲透率

測定條件為真空壓力P0=93 kPa, 樹脂黏度η=0.56 Pa·s。由于本實驗使用導流網(wǎng)測試，導流網(wǎng)的滲透率相對于碳纖維較大，故選用樹脂做測試流體。圖4所示為實驗測定的導流網(wǎng)/脫模布的L2ηφ/(2ΔP)與t的關系曲線圖。圖中曲線的擬合公式為y=4.1959x-2.72×10-8，擬合直線的斜率為4.195×10-9。計算所得滲透率值為K1=4.195×10-9。修正后滲透率值為K1=K2=2.5×10-9，K3=2.5×10-11。

圖4　導流網(wǎng)/脫模布的L2ηφ/(2ΔP)與t的關系曲線圖Fig.4　　　　Relationship curve between L2ηφ/(2ΔP)and t of flow media/peel ply

2.2碳纖織布的滲透率

圖5所示為實驗測定的碳纖織布的L2ηφ/(2ΔP)與t的關系曲線圖。由圖5中曲線擬合出K=9.98×10-13，測定條件為P0=90 kPa，由數(shù)顯千分表測得鋪層厚度h=1.96 mm，本實驗采用玉米油作為測試流體，玉米油黏度η=0.016 Pa·s。由公式(1)計算出φ=0.427。10層纖維織布裁切尺寸為30 cm×20 cm，玉米油充模時間為2160 s。建立平板模擬注模過程，通過調整滲透率計算值，結果發(fā)現(xiàn)，模擬充模時間和實際充模時間一致。經(jīng)過修正后的滲透率值為K1=K2=8.5×10-13，K3=2.03×10-13。

圖5　碳纖織布的L2ηφ/(2ΔP)與t的關系曲線圖Fig.5　　　　Relationship curve between L2ηφ/(2ΔP) and t of carbon fiber plain

2.3導流網(wǎng)/脫模布/碳纖織布的等效滲透率

圖6所示為實驗測定的碳纖織布的L2ηφ/(2ΔP)與t的關系曲線圖。計算得滲透率值為K1=K2=5.16×10-10，K3=5.16×10-12，樹脂實際流過18 cm的距離，所用的充模時間為45 s。建立平板有限元模型，尺寸為18 mm×20 mm。輸入計算滲透率值到軟件PAM-RTM中，得到一種計算結果。然后調整滲透率值到K1=K2=1.2×10-9，K3=1.2×10-11，使模擬充模時間和實際充模時間一致。

圖6　　　　導流網(wǎng)/脫模布/碳纖織布的L2ηφ/(2ΔP)與t的關系曲線圖Fig.6　　　　Relationship curve between L2ηφ/(2ΔP) and t of flow media/peel ply/carbon fiber plain

2.4面外滲透率

面外滲透率測試需要的鋪層數(shù)為200；碳布尺寸10 cm×10 cm； 10 cm×10 cm的導流網(wǎng)兩片。充模時間從進膠管連接鋪層纖維開始計時，到上表面導流網(wǎng)充滿藍色玉米油為止。壓實纖維厚度測得為3.5 cm，浸透時間為145 s，進膠口大氣壓為P0=93 kPa。由公式(2)計算得K=2.06×10-13。

2.5樹脂流動模擬分析

通過PAM-RTM軟件在不同的流動區(qū)域輸入材料參數(shù)及工藝參數(shù)，如纖維體積密度、面密度、滲透率以及樹脂的黏度、密度等，設計不同的流道方案進行模擬分析。各材料及工藝參數(shù)匯總如表3。

由于結構件的筋條部位兩端開放變形較大，蒙皮部分鋪層鋪設了導流網(wǎng)，為了能夠獲得較準確的模擬結果，在此提出等效建模方法和分層建模方法，最后將通過兩種建模方法得到的模擬結果與成型實驗結果對比。

(1)等效建模法

模型鋪層的蒙皮部分為碳纖平紋織布和導流網(wǎng)，將蒙皮部分視為一個整體部分，4根長桁視為一部分。對CAD模型進行三角形網(wǎng)格劃分，單元格尺寸為10 mm。注膠管道和出氣管道鋪設位置如圖7所示。圖7中group1為注膠管，group2為出氣管。

蒙皮部分的等效滲透率為實驗獲得K1=K2=1.2×10-9，K3=1.2×10-11，筋條部分大部分采用了單向布塞實，筋條表層采用了編織布，故滲透率采用了K1=K2=K3=1.0×10-12[27]。

表3　材料及工藝參數(shù)

圖7　等效建模時的注膠管道和出氣管道布置Fig.7　　　　Layout of injection port and vent location for equivalent model

圖8　等效建模時的樹脂充模時間分布Fig.8　Filling time for equivalent model

由圖8的等效建模的樹脂充模時間分布可知，理論樹脂充模時間為254 s，而實際樹脂充模時間為301 s。蒙皮部分采用的是等效滲透率，導流網(wǎng)和碳纖織布作為一個整體考慮，并未考慮導流網(wǎng)的長度。而實際在封裝蒙皮時，導流網(wǎng)的長度未覆蓋住整塊碳纖織布，導流網(wǎng)距碳纖織布末端保留2 cm的空隙，以保證樹脂充分的浸漬筋條部分，而不會沿著蒙皮層快速流動，導致樹脂在出氣管被真空抽出，無法沿筋條厚度方向上滲透。理論充模時間比實際充模時間略短，實際充模的情況是，滲透率在筋條彎曲變形的碳纖織布中變小。在模擬計算時，由平板實驗測得的滲透率作為筋條的實際滲透率輸入模擬軟件中，導致理論充模時間變短。

(2)分層建模法

模型鋪層的蒙皮部分為碳纖平紋織布和導流網(wǎng)，將兩部分單獨進行網(wǎng)格劃分，4根長桁視為一部分。對CAD模型進行三角形網(wǎng)格劃分，單元格尺寸為10 mm。注膠管道和出氣管道鋪設位置與圖9相同。導流網(wǎng)滲透率為實驗獲得K1=K2=2.5×10-9，K3=2.5×10-11，蒙皮部分位于導流網(wǎng)下面的碳纖平紋織布滲透率K1=K2=8.5×10-13，K3=2.03×10-13，筋條部分滲透率采用了K1=K2=K3=1.0×10-12[25]。

圖9　分層建模時的樹脂充模時間分布Fig.9　Filling time for layerwise model

由圖9可知，分層建模時的樹脂充模時間分布為534 s，而樹脂實際充模時間為301 s，計算模擬結果較實際實驗結果有很大偏差。在采用分層有限元建模時，將實體蒙皮分割為3層。這是因為樹脂在上層導流布中流動較快，而樹脂在下層纖維增強材料中流動滯后，導流布和增強材料之間存在耦合作用。PAM-RTM軟件的實例中采用了網(wǎng)格拉伸來建立復合材料鋪層結構。而這種建模方法在針對實際復雜結構件建模時較困難，耗費時間。

2.6 等效建模方法實驗驗證

根據(jù)表3工藝參數(shù)，對加筋壁板結構件開展了真空輔助樹脂注射液體成型工藝實驗，按預先設計的流道布局完成了封裝，在注膠前預成型體及模具整體真空壓實后的封裝圖如圖10所示。

圖10　預成型體及模具整體封裝圖Fig.10　Entire package diagram of reinforcement and model

圖11　　　　加筋壁板在注膠10 s(a),60 s(b),90 s(c)和301 s(d)后的實驗和模擬結果Fig.11　　　　Experiment and simulated results of the stiffened panel injection after 10 s(a), 60 s(b), 90 s(c) and 301 s(d)

根據(jù)VARI工藝流道設計原則，保證樹脂有較短的滲透距離，流道之間的樹脂滲透距離保持一致，流道之間不能發(fā)生干涉，保證樹脂的滲透時間在樹脂有效使用時間內。AXSON樹脂的有效使用時間為100 min。最終選擇了注膠管道和出氣管道垂直于筋條的方向，并且位于蒙皮的兩端，以免筋條貧膠。如圖11所示，將加筋壁板在注膠10 s，60 s，90 s和301 s后的實驗和等效建模模擬結果進行了比較，結果發(fā)現(xiàn)在每一個工藝時間節(jié)點，模擬樹脂流動前鋒和實驗樹脂流動前鋒能夠很好地吻合。在樹脂充模結束后，整個封裝系統(tǒng)在室溫下固化12 h，然后在固化爐中以180 ℃固化4 h。經(jīng)過脫模，裁切后如圖12所示，結構件表面光滑，未出現(xiàn)貧膠和富膠區(qū)域。結果表明，采用本研究中的流道設計和工藝參數(shù)能夠很好地滿足復合材料加筋壁板液體成型工藝的需要。

圖12　加筋壁板結構件Fig.12　Stiffened panel structure

3　結論

(1)制造了一套使用VARI工藝的結構簡單、操作方便且成本低廉的模具。通過達西定律變形公式得到面內和面外滲透率計算公式，分別獲得了導流網(wǎng)面內滲透率、導流網(wǎng)/脫模布/碳纖織布疊合層等效滲透率以及碳纖織布面內和面外滲透率參數(shù)。

(2)通過等效建模和分層建模方法分別建立了加筋壁板的有限元模型，將該方法所得模擬計算結果與實驗液體成型結果進行了比較。結果發(fā)現(xiàn)，等效建模方法更能準確地獲得與實際工藝相符合的樹脂充模時間。

(3)在等效建模法的情況下，最終選擇了注膠管道和出氣管道垂直于筋條方向的流道設計方案。結果發(fā)現(xiàn)，模擬樹脂充模時間為254 s，比實驗工藝樹脂充模時間301 s短。制備的實驗加筋壁板結構件碳纖完全浸漬，制件表面光滑，未發(fā)現(xiàn)貧膠和富膠區(qū)域。

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Computational Simulation of VARI Fluid Process Molding for Stiffened Panel Structural Composites

XIAO Fei，YUAN Chongxin，CONG Jingjie

(Beijing Aeronautical Science and Technology Research Institute, Beijing 102200， China)

The resin filling time can be predicted and the flow pattern of resin can be simulated in Composites VARI Fluid Process Molding with simulation software PAM-RTM. The permeability is important parameter in VARI process. In-plane and transverse permeability are usually tested with complicate and expensive enclosed mold.A set of model with simple structure, easy operation, low cost, was built to obtain accurate permeability by using a process of vacuum-assisted resin infusion (VARI). Besides, the method of equivalent model was employed. The simulation results of effective model is compared with those of experimental VARI process. The filling times for simulation method is 254 s which is shorter than 301 s of the experimental process. Based on flow runner project with equivalent model, the stiffened panel structural composite is prepared to validate the selective process.

VARI; stiffened panel; in-plane permeability; transverse permeability; PAM-RTM

(責任編輯：徐永祥)

2015-08-07；

2015-12-22

國家863計劃基金項目(2012A040209)

肖飛(1981—)，男，博士，工程師，主要從事復合材料液體成型工藝及計算模擬研究，(E-mail)xiaofei1@comac.cc。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.4.007

TQ323.5

A

1005-5053(2016)04-0047-08