秦澤云，王海東，李金良，王亞楠，劉利文

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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天線面蒙皮真空導(dǎo)入整體成型充模仿真及優(yōu)化

秦澤云，王海東，李金良，王亞楠，劉利文

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)大口徑(15 m×18 m)天線面蒙皮真空導(dǎo)入整體成型工藝，利用有限元軟件RTM-Worx對(duì)4種流道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充模流動(dòng)仿真模擬，通過(guò)比較各自流動(dòng)效率，選擇導(dǎo)流方式4作為最佳流道設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合實(shí)際工藝操作對(duì)所選方案作了進(jìn)一步優(yōu)化。利用該優(yōu)化方案順利完成了大口徑天線面蒙皮的整體成型制造，充模時(shí)間100 min，與仿真結(jié)果吻合良好，制得了比較滿意的產(chǎn)品，為其他大型整體化制件的合理設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

大口徑天線面；真空導(dǎo)入；流道設(shè)計(jì)；充模仿真

0　引言

真空導(dǎo)入技術(shù)的應(yīng)用在復(fù)合材料成型過(guò)程中能夠除去模具與纖維增強(qiáng)材料內(nèi)的空氣，有效提高了樹(shù)脂在纖維增強(qiáng)材料中的流動(dòng)能力，是制得高質(zhì)量復(fù)合材料制件的保證[1]。與以往傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝相比，真空導(dǎo)入技術(shù)更適合于成型大厚度、大尺寸的制件，通過(guò)合理的流道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂對(duì)纖維增強(qiáng)材料的充分浸漬，降低工藝風(fēng)險(xiǎn)[2]。碳纖維復(fù)合材料[3]以其輕質(zhì)、高強(qiáng)及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高精度天線面板的制備[4]，而大型薄壁構(gòu)件的整體化成型成為復(fù)合材料構(gòu)件低成本制造的亟待解決的難點(diǎn)及研究熱點(diǎn)[5-6]。

利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)[7]，來(lái)模擬真空導(dǎo)入成型工藝的動(dòng)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，并對(duì)流道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效改善樹(shù)脂對(duì)纖維增強(qiáng)材料浸潤(rùn)的均勻性，降低孔隙形成的幾率，提高天線面產(chǎn)品的性能[8-9]。秦偉、李海晨等[10]學(xué)者采用貼體坐標(biāo)/有限差分法模擬了樹(shù)脂滲流過(guò)程，建立了樹(shù)脂滲流控制方程。楊波、金天國(guó)等[11]學(xué)者基于數(shù)值模擬技術(shù)，通過(guò)對(duì)4種不同流道布置方式的樹(shù)脂充模過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，確定了最佳的流道布置方式。孫玉敏、段躍新等[12]學(xué)者利用RTM模擬仿真系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的RTM充模過(guò)程進(jìn)行了三維模擬，優(yōu)化了成型工藝方案并用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，取得了良好的效果。

1　流動(dòng)仿真理論模型

真空導(dǎo)入樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維的過(guò)程和固化過(guò)程是一個(gè)非等溫滲流過(guò)程，這一過(guò)程的數(shù)學(xué)模型描述主要包括動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程，這些方程是描述物質(zhì)存在和運(yùn)動(dòng)形式普遍物理規(guī)律的基本方程。在研究注射過(guò)程中樹(shù)脂壓力、溫度等隨時(shí)間的變化過(guò)程，為了減輕復(fù)雜程度，不考慮工藝過(guò)程中可能出現(xiàn)的邊緣現(xiàn)象，需對(duì)真空導(dǎo)入工藝做以下假設(shè)：① 纖維是剛性的，在樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維過(guò)程中不發(fā)生變形；② 樹(shù)脂和纖維的密度不發(fā)生變化；③ 樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程中，其雷諾數(shù)較小，可以忽略毛細(xì)管力和慣性力的影響；④ 樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維區(qū)域與非浸潤(rùn)區(qū)域有明顯分界面，在分界面以外沒(méi)有樹(shù)脂，在分界面以內(nèi)樹(shù)脂達(dá)到飽和。

真空導(dǎo)入仿真模擬以Darcy定律作為理論基礎(chǔ)，可表示為：

(1)

式中，Q為通過(guò)恒定截面積試樣的體積流量，單位為m3/s；K為纖維預(yù)成型體的滲透率張量，單位為m2；A為試樣橫截面積，單位為m2；ΔP為相應(yīng)于流動(dòng)長(zhǎng)度L的壓強(qiáng)差，單位為Pa；η為流體粘度，單位為Pa·s；L為流動(dòng)前沿的距離，單位為mm。

對(duì)于真空導(dǎo)入樹(shù)脂充模過(guò)程，仿真模擬的關(guān)鍵在于運(yùn)動(dòng)邊界的確定，即樹(shù)脂流動(dòng)前沿位置的確定，本文采用有限元控制體積法來(lái)實(shí)現(xiàn)充模過(guò)程中流動(dòng)前沿的自動(dòng)跟蹤。通過(guò)求解型腔內(nèi)的壓力場(chǎng)方程就可以得到注射點(diǎn)和內(nèi)點(diǎn)的壓力場(chǎng)分布以及各前沿節(jié)點(diǎn)的靜流率，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)任意時(shí)刻的樹(shù)脂流動(dòng)前沿曲線、壓力場(chǎng)及速率場(chǎng)的分布，為真空導(dǎo)入工藝設(shè)計(jì)如注射口和排氣口的布置等提供有效的參考依據(jù)，從而保證成型過(guò)程模擬的真實(shí)性及實(shí)際工藝參數(shù)的可靠性。

2　天線面蒙皮充模仿真及優(yōu)化

2.1天線面蒙皮流道設(shè)計(jì)及模擬

根據(jù)真空導(dǎo)入流道設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)4種蒙皮導(dǎo)流方式，利用Pro/e三維建模軟件及RTM-Worx有限元分析軟件對(duì)反射面蒙皮建模并進(jìn)行充模仿真模擬。

該天線面蒙皮投影為偏饋橢圓形形狀，其中長(zhǎng)軸長(zhǎng)度18 m，短軸長(zhǎng)度15 m，最高點(diǎn)高度2 m，二維表示如圖1所示。在有限元軟件中劃分網(wǎng)格，包含節(jié)點(diǎn)數(shù)66 052個(gè)，單元數(shù)125 474個(gè)。

仿真模擬過(guò)程中設(shè)置真空導(dǎo)入工藝參數(shù)為：纖維預(yù)成型體滲透率：8×10-10m2，纖維體積含量60%，樹(shù)脂粘度220 mPa·s，真空壓力0.095 MPa。對(duì)4種導(dǎo)流方式進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖1　天線面蒙皮二維平面圖

圖2　導(dǎo)流方式1仿真模擬結(jié)果　圖3　導(dǎo)流方式2仿真模擬結(jié)果

圖4　導(dǎo)流方式3仿真模擬結(jié)果　圖5　導(dǎo)流方式4仿真模擬結(jié)果

圖6　不同導(dǎo)流方式充模時(shí)間比較

不同導(dǎo)流方式充模時(shí)間比較如圖6所示，從圖中可以看出，導(dǎo)流方式4充模時(shí)間最短，流動(dòng)效率最高，初步確定為天線面蒙皮流道設(shè)計(jì)方案。

分析仿真模擬結(jié)果，導(dǎo)流方式1由于流道間距較大(>3 m)，注膠口較少，導(dǎo)致流動(dòng)速度較慢，充模時(shí)間較長(zhǎng)，如果縮小流道間距，增加注膠口數(shù)量，會(huì)帶來(lái)流道排布困難，注膠量無(wú)法合理分配的問(wèn)題，同時(shí)該方案極易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，致使工藝過(guò)程無(wú)法有效控制。

導(dǎo)流方式2流道間距縮短，流道總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，充模時(shí)間有所減少，但是根據(jù)注膠口分布原則，為使每一圈流道同時(shí)充滿，同時(shí)開(kāi)始浸潤(rùn)纖維布，每圈需設(shè)置注膠口較多，第7圈有12個(gè)，共有注膠口46個(gè)。為了提高每圈真空壓力，縮短充模時(shí)間，每圈還需設(shè)置抽氣口，共有抽氣口33個(gè)。這樣對(duì)工藝過(guò)程中注膠口和抽氣口的開(kāi)合順序提出了較高的要求，增加了工藝風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)導(dǎo)流方式2的弱點(diǎn)，導(dǎo)流方式3極大地減少了注膠口和抽氣口的數(shù)量，避免了對(duì)注膠口和抽氣口同時(shí)進(jìn)行開(kāi)合控制的風(fēng)險(xiǎn)，只對(duì)注膠口有一定開(kāi)合順序的要求，流道布置相對(duì)均勻。但是在模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂流動(dòng)前沿呈“U”型向前流動(dòng)時(shí)，“U”型深度較深(>6 m)，若注膠口控制不合理或流動(dòng)管路發(fā)生移位，容易導(dǎo)致“U”型兩側(cè)邊樹(shù)脂先匯聚，在“U”型內(nèi)部形成聚氣，產(chǎn)生干斑缺陷。

導(dǎo)流方式4樹(shù)脂流動(dòng)前沿呈“V”型，較好地彌補(bǔ)了“U”型流動(dòng)前沿的不足，且只有一個(gè)注膠口，避免了控制注膠口順序產(chǎn)生的工藝風(fēng)險(xiǎn)，從仿真模擬結(jié)果可以看出，樹(shù)脂流動(dòng)比較均勻，流動(dòng)效率最高，充模時(shí)間最短，是比較理想的注膠方案。

2.2大口徑天線面蒙皮真空導(dǎo)入工藝優(yōu)化

導(dǎo)流方式4的設(shè)計(jì)方法為：由48根導(dǎo)流管按照從中心點(diǎn)呈發(fā)射狀布置，其中單根流道長(zhǎng)度范圍為6.95～8.8 m，流道總長(zhǎng)約384 m，相鄰流道末端間距范圍為0.98～1.2 m。注膠設(shè)計(jì)為中間設(shè)置1個(gè)注膠口，抽氣設(shè)計(jì)為外圈一圈抽氣。

為便于工藝操作，保證樹(shù)脂充模效率及質(zhì)量，對(duì)流道設(shè)計(jì)進(jìn)行如下改進(jìn)：注膠設(shè)計(jì)改為由8個(gè)注膠口圍成環(huán)狀，6根導(dǎo)流管共用一個(gè)注膠口，環(huán)形直徑為1 m。在環(huán)狀中心增加1個(gè)抽氣口進(jìn)行抽氣，設(shè)計(jì)示意圖如圖7所示。針對(duì)該方案進(jìn)行充模流動(dòng)仿真模擬，優(yōu)化方案模擬結(jié)果如圖8所示，并利用該方案順利完成了15 m×18 m大口徑天線面蒙皮的成型，工藝實(shí)施過(guò)程如圖9所示。

圖7　流道設(shè)計(jì)改進(jìn)示意圖　圖8　仿真模擬結(jié)果示意圖

圖9　天線面蒙皮工藝實(shí)施過(guò)程

通過(guò)比較天線面蒙皮工藝實(shí)施過(guò)程與仿真模擬結(jié)果，其充模時(shí)間略有差別，仿真模擬充模時(shí)間為90 min，而實(shí)際成型時(shí)充模時(shí)間為100 min，分析原因主要是兩方面的因素，一是仿真過(guò)程中樹(shù)脂粘度恒定，而實(shí)際成型過(guò)程中，樹(shù)脂粘度隨時(shí)間有所變化；二是仿真模擬時(shí)預(yù)成型體滲透率為理想值，而實(shí)際增強(qiáng)材料鋪設(shè)過(guò)程中總會(huì)產(chǎn)生局部變形，及增強(qiáng)材料本身的不均勻性，會(huì)導(dǎo)致不同位置滲透率不完全符合設(shè)定值。

總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)流道設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬，能夠提供對(duì)實(shí)際工藝成型有指導(dǎo)意義的結(jié)果，從而避免了反復(fù)試驗(yàn)帶來(lái)的成本增加，降低了工藝風(fēng)險(xiǎn)，提高了成型效率及產(chǎn)品質(zhì)量，取得了良好的效果。

3　結(jié)束語(yǔ)

利用有限元軟件RTM-Worx完成了對(duì)大口徑天線面蒙皮的充模仿真模擬，通過(guò)比較流動(dòng)效率選擇導(dǎo)流方式4作為最佳流道設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)際工藝設(shè)置作了進(jìn)一步優(yōu)化，并利用該方案順利完成了大口徑天線面蒙皮的工藝成型，充模時(shí)間100 min，與仿真模擬結(jié)果吻合良好，制得了比較滿意的產(chǎn)品。

利用該仿真模擬技術(shù)，有效改善了樹(shù)脂對(duì)纖維增強(qiáng)材料浸潤(rùn)的均勻性，能夠降低工藝成本及工藝風(fēng)險(xiǎn)，提高制品性能，為其他大型薄壁構(gòu)件的合理制備和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

[1]楊金水，肖加余，曾竟成，等.真空導(dǎo)入模塑工藝樹(shù)脂流動(dòng)規(guī)律研究[J].宇航材料工藝，2007(5):22-26.

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Mold-filling Simulation and Optimization of VARI for Large Antenna Reflector Skin

QIN Ze-yun,WANG Hai-dong,LI Jin-liang,WANG Ya-nan,LIU Li-wen

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

For molding of large aperture(15m×18m)antenna reflector skin with VARI,mold-filling of four runner design schemes are simulated using the finite element software RTM-Worx.By comparing the flow efficiency,the best runner design is selected,which is further optimized when combined with the actual process settings.A large-diameter antenna reflector skin has been successfully completed with this optimized scheme.The filling time(100min)agrees well with the simulation results.This technology provides a basic reference for the reasonable design and optimization of the process for other large components.

large antenna reflectors;VARI;design of flow runner;filling simulation

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.13

引用格式：秦澤云，王海東，李金良，等.天線面蒙皮真空導(dǎo)入整體成型充模仿真及優(yōu)化[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(5):53-55,98.

2016-05-17

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目計(jì)劃(973計(jì)劃)資助(2013CB837900)；國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作與交流項(xiàng)目(11261140641)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2012DFB00120)

秦澤云(1986—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)與仿真。王海東(1980—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：先進(jìn)復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)。

TB332

A

1003-3114(2016)05-53-3