李延平，郭鵬亮，蘇 亮，萬建平，殷 俊，辛洪南

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，320024）

0 引言

RTM（Resin Transfer Molding）工藝是目前最常用的高性能復合材料低成本制造技術(shù)之一，其工藝原理是在一定的溫度和壓力下，將低粘度樹脂注入閉合模腔，浸潤增強材料并固化。該工藝的主要特點是產(chǎn)品尺寸精度高、制造周期短、結(jié)構(gòu)整體性高、制造成本低、設備投入少等。基于RTM成型工藝的諸多優(yōu)點，它已廣泛應用于航空復合材料制件的設計及制造領域，也實現(xiàn)了在飛機主承力結(jié)構(gòu)的成型。

樹脂注膠流道設計是RTM工藝的關鍵環(huán)節(jié)。合理的注膠流道設計不僅可以縮短樹脂在預制體內(nèi)的滲透時間，而且還可以避免滲透過程中干斑、富樹脂等缺陷的形成。傳統(tǒng)模具樹脂流道設計是以工程經(jīng)驗為主，輔以試錯法，而實際零件樹脂流動軌跡復雜程度僅靠工程試驗很難準確掌握樹脂在復雜結(jié)構(gòu)預制體中的流動狀態(tài)，而且還需要消耗大量的人力和物力。

若在RTM工裝設計和制造過程中，借助數(shù)字化仿真技術(shù)對樹脂在模具型腔內(nèi)的狀態(tài)及變化規(guī)律進行模擬仿真，可大大降低產(chǎn)品研制周期和風險，降低研制成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。PAM-RTM軟件是針對RTM、真空輔助滲透（VARI）等液態(tài)成型工藝開發(fā)的專業(yè)三維過程模擬仿真軟件，能較為準確地模擬RTM工藝過程中樹脂的流動過程、壓力分布、固化過程及充模時間等重要信息。本文采用PAM-RTM軟件對RTM工藝整體成型復合材料前邊條流道設計進行模擬仿真研究，以指導流道設計及優(yōu)化工藝參數(shù)。

1 PAM-RTM軟件簡介

1.1 功能概述

PAM-RTM模擬的工藝覆蓋面極廣，囊括了標準RTM、VARI、非等溫RTM（Heat-RTM）、真空輔助RTM等在內(nèi)的絕大多數(shù)液態(tài)成型工藝。其功能涉及RTM中的競流效應、纖維方向?qū)ψ⑺苓^程的影響、材料鋪覆過程對纖維角度的影響、注膠口及出膠口位置、注射壓力流量、充模時間（圖1）、充模壓力分布、樹脂在填充過程中和填充完成后的樹脂固化過程等影響因素。該軟件計算迅速，利用Darcy守恒定律求解，保證了計算的精度；后處理結(jié)果直觀，無須進入其他界面直接觀察模擬結(jié)果；準確模擬樹脂充模和固化過程，優(yōu)化纖維與樹脂的匹配，優(yōu)化注膠口和出膠口的位置，優(yōu)化注膠速率和注膠壓力。

圖1 PAM-RTM模擬的RTM工藝機翼結(jié)構(gòu)件

1.2 數(shù)學模型

RTM的數(shù)值模擬主要涉及到三種物理現(xiàn)象的數(shù)學模型：樹脂在多孔介質(zhì)中的流動、制件和模具之間的熱交換、樹脂的化學反應。

樹脂在纖維增強體中的流動可以假設成在多孔介質(zhì)中流動，其流動行為主要受Darcy定律控制。Darcy公式如下所示，表示單位面積的流率正比于壓差，反比于粘度。

其中，K表示預制體滲透率，μ表示樹脂粘度，V表示樹脂流速，P表示壓力。滲透率指粘性流體浸入多孔介質(zhì)的能力，單位為m2，由纖維的體積含量和鋪層順序決定。纖維主方向上的滲透率可通過實驗獲得。樹脂的粘度與溫度和樹脂的固化度有關。

2 采用PAM-RTM軟件對前邊條進行流道設計仿真

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點分析與工藝方案設計

復合材料前邊條RTM整體件（圖2）為典型的雙蒙皮大曲率變截面多腔盒段結(jié)構(gòu)（展長1800mm，沿展向 0～800mm，空腔高度 10～295mm ），由上、下蒙皮、邊緣及12個復材肋組成，屬薄殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，注膠工藝方案示意圖如圖3所示，主要包括以下幾個方面。

圖2 前邊條RTM整體件結(jié)構(gòu)示意

圖3 注膠工藝方案示意

1）注膠策略選擇邊緣注射：注射口設計在模具的一端，排氣口對稱的設計在模具的另一端，采用真空輔助出膠。同時在模具上設有分配流道，樹脂從邊緣流道注射。將注射流道設置為與肋的方向平行，消除當注射方向垂直于肋時產(chǎn)生的大量分流道。上下蒙皮的末端都開有膠槽，出膠口位于膠槽內(nèi)。肋的末端與膠槽相連，通過膠槽排出空氣和多余樹脂；

2）采用多孔注射：在模具上設計多個注膠口（圖3），多孔注射是降低RTM充模時間、提高生產(chǎn)效率的一種重要措施。

3）注膠順序：按順序注膠，通過對注射口注射方式和注射時間的控制來實現(xiàn)制品成型。在順次注膠過程中，必須了解樹脂相對注膠口的位置；注射太早可能導致兩個流動前沿匯聚，最終導致空隙的出現(xiàn)，而注射過晚會浪費注射時間并增加能耗。

4）注射壓力：采用壓力注射，最大注射壓力為6bar。通常注入壓力越大，充模所需的時間越短，但過大的注射壓力對模具要求高而導致成本增加。同時太大的注射壓力也會導致模腔內(nèi)部的壓力梯度過大從而使預型體發(fā)生凹陷變形等。

2.2 建模過程

2.2.1 計算模型

前邊條為薄殼結(jié)構(gòu)，不考慮樹脂在厚度方向的流動，簡化后的幾何模型如圖4所示。利用Hypermesh軟件，以三角形單元劃分網(wǎng)格，單元尺寸為5mm，總共有189286個單元，節(jié)點數(shù)為94139（圖5）。

圖4 計算幾何模型

圖5 計算有限元模型

2.2.2 材料參數(shù)

RTM充模模擬研究將充模過程視為牛頓流體在多孔介質(zhì)中的滲流過程，以Darcy定律作為流體的運動方程。假設樹脂粘度不隨時間和溫度變化，取常數(shù)值為0.1Pa.s。假設預制體為各向同性，不考慮鋪層設計，預制體滲透率取4×10-11m2，孔隙率為0.5，流道的孔隙率為1，滲透率為1×10-6m2，見表 1。

表1 材料參數(shù)

2.2.3 邊界條件

注膠口與出膠口的位置如圖6所示，采用壓力注射，初始注射壓力為1bar，最大注射壓力為6bar。出膠口與真空泵相連，出口壓力為0bar。當樹脂從出口流出時，立即關閉相應的出膠口。

圖6 注膠口和出膠口位置示意

2.3 流道設計模擬仿真過程及結(jié)果分析

依據(jù)注膠口和出膠口的位置，主要通過閥門的關閉和注膠壓力來控制注膠過程，模擬過程中采用了3種方案，方案一為注、出膠口全開，初始注射壓力為1bar；方案二為只開啟注膠口2，出膠口全開，初始注射壓力為1 bar；方案三為注、出膠口全開，初始注射壓力為3 bar，其模擬過程及模擬結(jié)果詳見表2。根據(jù)模擬結(jié)果，著重對比分析了在不同的條件下型腔內(nèi)樹脂的流動、壓力分布以及充模時間，以指導模具流道的設計與工藝參數(shù)的優(yōu)化，為提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低制造成本提供技術(shù)支持。

表2 計算工況

2.3.1 方案一 模擬結(jié)果及分析

方案一注膠方式如圖7所示。

圖7 注膠示意（方案一）

如圖8所示，注膠時間為3310 s，即經(jīng)過3310 s樹脂完全填充到型腔里。肋的填充時間依據(jù)尺寸的大小而變化，其中肋L1大約經(jīng)過105 s完成填充，肋L12需經(jīng)過2960 s才能被樹脂完全填充。下蒙皮經(jīng)過2818 s完成填充，上蒙皮中的直角點處最后完成填充。

圖8 注膠時間云圖（方案一）

樹脂的流動過程如圖9所示，分別描述了2s、105s、1587s、2960 s時型腔內(nèi)樹脂的分布情況。

1）自0 s時開始從3個注膠口注膠，樹脂先沿著流道流動，經(jīng)過2s后樹脂幾乎充滿流道，并沿著上、下蒙皮向前流動（圖9a）；

圖9 方案一 不同時刻樹膠分布情況

2）經(jīng)過8 s，通過上、下蒙皮的樹脂開始浸潤與肋相連的夾芯梁的蒙皮，此時存在包裹空氣的現(xiàn)象；隨著時間的推移，經(jīng)過42 s，樹脂完全充滿與肋相連的夾芯梁的蒙皮，并開始沿著肋的拉伸方向流動。此時，型腔中的流域主要分為三個獨立的區(qū)域，分別是上蒙皮、下蒙皮和肋，其中，上下蒙皮樹脂的流動前沿以一定的曲率向各自的垂直點收縮，肋上樹脂沿著肋延伸的方向向前流動；

3）經(jīng)過105 s，肋L1完全被樹脂浸潤，如圖9b所示；

4）在注膠的開始階段肋的流動前沿的形狀為拋物線，與上、下蒙皮相連的肋的緣條的流速略大于腹板中樹脂的流速，因此在肋的末端中部有可能形成空氣包裹；

5）隨著注膠過程的不斷進行，與下蒙皮相連的緣條的流速略大于上緣條中樹脂的流動，流動前沿的形狀為從下蒙皮到上蒙皮方向逐漸減小的弧形。此時，肋的流動區(qū)域在上蒙皮與肋的交匯處可能存在包裹空氣的現(xiàn)象，如圖9c所示；

6）經(jīng)過2960 s時，上蒙皮的直角區(qū)域幾乎完成最后填充，如圖9d所示。

PAM-RTM仿真計算結(jié)果表明，采用上述方案在注射過程中。從肋L1到L12都可能存在包裹空氣的現(xiàn)象，因此，必須在每個肋的末端設置排氣孔以防止包裹空氣而產(chǎn)生干斑缺陷。

注膠過程中，模具內(nèi)不同時刻的壓力分布如圖10所示。樹脂充滿膠槽后，整個前緣上壓力分布均勻，樹脂在壓力作用下不斷向前推進，最終型腔內(nèi)的壓力均為1 bar。

2.3.2 方案二 模擬結(jié)果及分析

注膠方案二如圖11所示，關閉1和3號注膠口，從2號注膠口開始注膠，出膠口全部打開，注膠壓力為1 bar。如圖12所示，注膠時間為3320 s，即經(jīng)過3320 s樹脂完全填充到型腔里，上蒙皮中的直角點處最后完成填充。

2.3.3 方案三 模擬結(jié)果及分析

注膠方案三如圖13所示，注膠口和出膠口全部打開，注膠壓力為3 bar。如圖14所示，注膠時間為1130 s，即樹脂完全填充到型腔里用時1130 s，肋L12在890 s時被樹脂完全填充，最后完成填充位置為上蒙皮中的直角點。

圖10 模具內(nèi)不同時刻的壓力分布

圖11 注膠示意（方案二）

圖12 注膠時間云圖（方案二）

綜上所述，3種注膠方案所得的型腔內(nèi)樹脂的流動過程基本相同，方案一和方案二注射時間相差不大，說明增加注膠口的數(shù)量并不一定能減少注膠時間；方案三注射時間最短，與方案一相比，說明可通過增加注膠壓力減少注膠時間。由于方案一中，樹脂在肋的末端邊緣形成空氣包裹現(xiàn)象的概率較大，同時考慮到注射壓力較大時會導致樹脂流速過快，樹脂對纖維的沖刷作用會影響樹脂的浸潤過程，且模具的制造成本也會相應增加，故優(yōu)選方案二。

圖13 注膠示意（方案三）

圖14 注膠時間云圖（方案三）

2.4 實際生產(chǎn)過程驗證

復合材料前邊條RTM整體件實際生產(chǎn)過程中選用方案二注膠方式，在注膠的初始階段使用1 bar的壓力進行注膠，隨著時間的推移慢慢增加注膠壓力。注膠時間為3458 s，與模擬結(jié)果基本吻合。制件表面質(zhì)量較好，無損檢測合格（圖15）。

圖15 前邊條生產(chǎn)圖片及無損檢測結(jié)果

3 結(jié)論

1）PAM-RTM仿真模擬結(jié)果可指導RTM模具流道的設計與工藝參數(shù)的優(yōu)化，以降低制造成本，縮短生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)品質(zhì)量。模擬結(jié)果表明，對于該密肋隔板結(jié)構(gòu)，單注膠口、邊緣注射、注射壓力遞增為最佳注射方式；

2）驗證了數(shù)字化設計與整體化成型工藝技術(shù)的有效性和可行性，可為RTM整體成型復合材料前邊條的數(shù)字化設計、模具流道設計及工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。