張艦

摘 要：真空導(dǎo)入屬于一種被應(yīng)用在復(fù)合材料制作過程中的技術(shù)，該技術(shù)的主要功能是去除磨具和纖維材料之間的空氣，進而提高樹脂型材料的流動能力，是復(fù)合材料質(zhì)量的基本保障。為此，文章分析了天線面蒙皮真空導(dǎo)入的仿真方式及其優(yōu)化方式，并將真空導(dǎo)入技術(shù)應(yīng)用到了實際成型過程中。

關(guān)鍵詞：天線面蒙皮；真空導(dǎo)入；整體成型；充模仿真

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0016-02

引言

纖維型復(fù)合材料具有重量輕、強度高、膨脹系數(shù)較低等特點，因此，經(jīng)常被應(yīng)用在天線面板制備過程中，而如何實現(xiàn)薄壁構(gòu)件的整體成型，也成為了復(fù)合材料發(fā)展和應(yīng)用的一項難題。為此，研究人員應(yīng)用了以計算機為載體的仿真模擬技術(shù)，并優(yōu)化了流道設(shè)計方案，旨在改善復(fù)合材料浸潤的均勻性。

1 流動仿真理論模型

計算機仿真模擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對真空導(dǎo)入過程的全方位模擬，并應(yīng)用相應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)付流道設(shè)計方案的優(yōu)化，進一步改善樹脂在纖維材料中的浸泡效率和深入程度，改善復(fù)合型材料的均勻程度。當下，已經(jīng)有專業(yè)技術(shù)人員就樹脂的滲流過程進行了貼體坐標和有限分差法研究，并建立了樹脂滲流量計算方程；還有技術(shù)人員針對現(xiàn)行四種不同類型的天線蒙皮導(dǎo)入方式進行了仿真模擬實驗，確定了最佳的流道布置方式和分布設(shè)置方案，本文應(yīng)用的便是四種導(dǎo)入方式的實驗；還有技術(shù)人員應(yīng)用RTM仿真技術(shù)對風葉機RTM充模過程進行三維模擬，形成了專業(yè)的工藝加工方案，將其運用在實際生產(chǎn)過程中取得了優(yōu)良效果。

真空導(dǎo)入樹脂的過程和纖維材料的固化過程，都屬于物質(zhì)的非等溫滲流過程，因此，用數(shù)學(xué)模型可以描繪出運動能量的守恒方程，工作人員可以在此基礎(chǔ)上解釋物質(zhì)的存在形式和運動形式。在本文的實驗中，為了減輕計算難度，忽略了在加工工藝應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的邊緣現(xiàn)象，因此，在真空導(dǎo)入研究實驗中，需要做出以下假設(shè)：纖維具有良好的剛性，在樹脂中浸泡時不會出現(xiàn)變形現(xiàn)象；樹脂和纖維在實驗過程中不會發(fā)生密度上的變化；樹脂流動時產(chǎn)生的雷諾數(shù)較小，可以忽略慣性作用的影響；被樹脂浸潤的纖維結(jié)構(gòu)和沒有被浸潤過的纖維結(jié)構(gòu)，融合在一起時會形成明顯的分界面，此分界面之外沒有樹脂流體存在，分界面之內(nèi)的樹脂流體達到了飽和[1]。

基于上述假設(shè)下，真空導(dǎo)入仿真模擬模型可以表示為：=-，其中Q表示面積式樣中的體積流量，單位是m3/s；K表示的是纖維滲透率的張量，單位是m2；A表示的是試件的橫截面面積，單位是m2；△P表示的是固定流動長度（L）額壓強值，單位是Pa；？濁表示的是流體的實際黏度，單位是Pa/s。

在真空導(dǎo)入仿真實驗中，最關(guān)鍵的是確定物質(zhì)和流體的運送邊線，即樹脂流動過程的前沿位置，因此，操作人員需要應(yīng)用相關(guān)技術(shù)對模具的流動前沿進行監(jiān)控，本次試驗應(yīng)用的是有限元控制體積法。通過型腔內(nèi)壓力場的求解方程，操作人員可以分別計算出注射點、內(nèi)點、前沿點的內(nèi)壓力場，為真空導(dǎo)入設(shè)備的安裝和設(shè)置提供了數(shù)據(jù)支持，如注射口和排氣口等，進而確保了仿真模擬實驗和真空導(dǎo)入工藝的優(yōu)化設(shè)計的規(guī)范性和合理性[2]。

2 天線面蒙皮仿真優(yōu)化設(shè)計

2.1 流道設(shè)計和模擬

以真空導(dǎo)入技術(shù)為依據(jù)可以劃分出四種不同類型的天線蒙皮導(dǎo)入方式，現(xiàn)應(yīng)用Pro/e三維建模軟件和RYM-Worx分析軟件對反射天線面蒙皮進行建模實驗和仿真模擬?，F(xiàn)假設(shè)天線面蒙皮的投影為橢圓形，最長投像軸的長度為18米，最短投像軸的長度為15米，最高投射點的高度為2米，并在仿真軟件中將其劃分為66000個節(jié)點，125000個單元數(shù)。在此次仿真模擬過程中，真空導(dǎo)入技術(shù)的工業(yè)參數(shù)如下：預(yù)成體的滲透率為8*10-10m2，此時纖維物質(zhì)在總體試驗總質(zhì)量的含量為60%，樹脂的粘度固定為220Pa/s，真空導(dǎo)入仿真模擬實驗所承受的真空壓力為0.095Pa?，F(xiàn)對上文中提到的四種導(dǎo)流方式進行統(tǒng)一實驗，總結(jié)的實驗結(jié)果如下文所示。

仿真模擬實驗結(jié)果證明，一號導(dǎo)流方式的流道間距較大，導(dǎo)致流體的流動速度過于緩慢，延長了沖模時間，但是如果在實驗過程中，就流道方式進行改善，縮短流道間距，則會增加注膠口的數(shù)量，給流道的安排和設(shè)計增加難度，造成運行設(shè)備不能合理分配的問題。另外，此導(dǎo)流方式在實際應(yīng)用過程中及其容易出現(xiàn)邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致操作人員無法有效控制真空導(dǎo)入工藝的應(yīng)用過程[3]。

二號導(dǎo)流方式的流道間距較小，且流道的長度有所增加，減少了沖模時間，但是受到注膠口分布原則的影響，為了確保流道在一圈內(nèi)實現(xiàn)完全浸泡，需要在實驗開始前浸潤纖維布，并逐漸增加流道圈內(nèi)的注膠口數(shù)量，并在流道圈內(nèi)設(shè)置抽氣口。在第一圈流道內(nèi)部需要設(shè)置的注膠口數(shù)量較多，其中第七圈需要設(shè)置12個注膠口，在整體仿真模擬實驗中共需要設(shè)置46個注膠口。因此，在二號導(dǎo)流方式中涉及到了較多的注膠口和抽氣口安裝，操作人員需要嚴格遵循安裝規(guī)范和順序，增加了施工工藝的風險。

三號導(dǎo)流方式減少了注膠口和抽氣口的安裝數(shù)量，對流道進行了均勻的布置，但是在真空導(dǎo)入模擬實驗中仍然發(fā)現(xiàn)了操作風險，即當樹脂的流動前沿呈現(xiàn)“U”型時，如果前沿的深度較深，則會出現(xiàn)注膠口控制不合理和流管錯位等問題，導(dǎo)致“U”型結(jié)構(gòu)的兩側(cè)先被填充完，容易形成聚氣，進而造成天線面蒙皮的干癟和缺陷[4]。

四號導(dǎo)流方式樹脂流動前沿呈現(xiàn)“V”型，彌補了“U”型流動前沿的缺陷，并且整體流道圈內(nèi)只能設(shè)置一個注膠口，規(guī)避了施工工藝帶來的風險。在上述的仿真模擬實驗中，可以看出四號導(dǎo)流方式的流動效率最高，樹脂流動的質(zhì)量比較均勻，因此，最適合應(yīng)用在天線面蒙皮設(shè)計中。

2.2 真空導(dǎo)入工藝的優(yōu)化設(shè)計

上述仿真模擬實驗中，四號導(dǎo)流方式為：將48根導(dǎo)流管按照安裝流程規(guī)安裝好，設(shè)置一個中心點，將導(dǎo)流管按照放射線形狀排列，應(yīng)用導(dǎo)管的長度在6.9米-8.85米之間，流道的總體長度可以達到380米，相鄰流道的間距為0.95米-1.2米，流道圈內(nèi)有一個注膠口和一排抽氣口[5]。endprint

為了方便仿真模擬實驗的進行，在確保沖模效率和質(zhì)量的前提下，現(xiàn)對四號導(dǎo)流方式進行了如下改造：將一個注膠口改造為8個注膠口圍繞的環(huán)形結(jié)構(gòu)，讓6根導(dǎo)流管共用一個注膠口；在環(huán)形結(jié)構(gòu)中增加一個抽氣口。實驗結(jié)果證明，此次改造在提高真空技術(shù)應(yīng)用效率上有較大的作用，另外，應(yīng)用該導(dǎo)流方式順利完成了15m*18m面積天線面蒙皮的制作。

現(xiàn)對和改造后的導(dǎo)流方式在實驗和實際應(yīng)用過程中的具體參數(shù)進行進一步對比和說明，在仿真模擬實驗中，該導(dǎo)流方式的沖模時間為90分鐘，但是在實際應(yīng)用過程中的沖模時間為100分鐘。經(jīng)過分析和總結(jié)后，可以得出影響沖模時間變化的因素如下：在仿真模擬實驗中，樹脂的黏度不變，在實際應(yīng)用過程中，樹脂的黏度會在時間的影響下出現(xiàn)一定程度的變化；在仿真模擬實驗中，預(yù)成體的滲透率是理想值，在實際應(yīng)用過程中，復(fù)合材料在鋪設(shè)時會產(chǎn)生不同程度的變形。

總體而言，在流道仿真模擬實驗和真空導(dǎo)入工藝的優(yōu)化設(shè)計過程中，能夠總結(jié)出適合應(yīng)用在天線面蒙皮制作中的理論和技術(shù)，仿真和優(yōu)化模擬在實際工藝品成型中具有指導(dǎo)作用，能夠有效避免多次實驗帶來的成本支出，大幅度降低了真空導(dǎo)入技術(shù)的應(yīng)用風險，提高了天線面蒙皮的成型效率和質(zhì)量，并且在實際應(yīng)用過程中取得了顯著的效果[6]。

3 天線面蒙皮真空導(dǎo)入結(jié)論

通過RYM-Worx分析軟件完成了對大口徑天線面蒙皮的仿真模擬實驗，在結(jié)合四種導(dǎo)流方式的沖模效率和質(zhì)量后，選擇了四號導(dǎo)流方式，并結(jié)合實際的工藝流程對真空導(dǎo)入技術(shù)應(yīng)用方式和流道設(shè)計方式進行了進一步的優(yōu)化，隨后應(yīng)用改造后的天線面蒙皮進行工藝成型，最后應(yīng)用的沖模時間為100分鐘，并制造出了比較完善的天線面蒙皮。

實驗結(jié)果和應(yīng)用效益證明，將仿真模擬技術(shù)和真空導(dǎo)入技術(shù)應(yīng)用在天線面蒙皮制作中，能夠提高樹脂在纖維材料中浸泡均勻性，有效的降低了施工工藝的施工成本和工藝風險，在提高產(chǎn)品性能方面發(fā)揮了比較重要的作用，為大型薄壁構(gòu)件的建造提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

4 結(jié)束語

相對于傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型技術(shù)來說，真空導(dǎo)入技術(shù)比較適合影響在成型面積較大的材料制作過程中，高效率的流道設(shè)計能夠讓纖維材料被樹脂充分浸泡，減少天線面蒙皮上的孔隙，進而提高天線面板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。因此，技術(shù)人員需要加大對真空導(dǎo)入整體成型技術(shù)的研究力度，結(jié)合實際的天線面蒙皮需求，運用先進的仿真模擬和優(yōu)化方式，對真空導(dǎo)入技術(shù)進行事先的模擬應(yīng)用。

參考文獻：

[1]夏振猛.天線面支撐結(jié)構(gòu)張力特性分析與優(yōu)化設(shè)計[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]游斌弟，趙志剛，趙陽.柔性天線面對漂浮基星載天線擾動分析及抑制[J].航空學(xué)報，2014，31（12）：2348-2356.

[3]莫鏑.基于COSO框架的A建設(shè)項目全面風險管理研究[D].電子科技大學(xué)，2014.

[4]水小妮.建筑工程承發(fā)包價格發(fā)展軌跡研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2017.

[5]陸軍，陳協(xié)云，葉龍根.平面陣列天線面精度測量值的分析計算方法[J].現(xiàn)代電子，2015（04）：13-16.

[6]鄭勇，錢志瀚.計算空間VLBI天線面有效截面積的數(shù)學(xué)模型[J].中國科學(xué)院上海天文臺年刊，2014（00）：140-144.endprint