李祎燊，閆 超，王宇寧，郭俊剛，李玉軍，蔡冠雄

（1.中航飛機(jī)股份有限公司，陜西 西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072）

1 緒言

相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕以及便于整體成型等一系列優(yōu)點(diǎn)，是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最理想的材料[1]。近年來，隨著先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料的應(yīng)用也越來越多，尤其在民機(jī)領(lǐng)域，例如波音和空客研發(fā)的最新機(jī)型B787 與A350，其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)重量已經(jīng)超過50%[2，3]。復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各飛機(jī)型號研制中，其結(jié)構(gòu)也逐步向著超厚尺寸、變曲率方向發(fā)展。相較于熱壓罐工藝，液體成型工藝為低壓成型，能有效避免泡沫芯收縮、壓塌等現(xiàn)象，可保證織物與泡沫芯有效粘接，避免空隙等無損問題，整個(gè)工藝具有較明顯的成本優(yōu)勢和質(zhì)量優(yōu)勢[4]。

VARI 工藝（真空輔助成型技術(shù)，VARI-Vacuum Assisted Resin Infusion）是在RTM工藝上發(fā)展而來，是一種新的低成本復(fù)合材料成型技術(shù)。VARI 工藝采用單面模具，用真空袋密封纖維增強(qiáng)材料，利用真空排除纖維增強(qiáng)材料中的空氣，通過樹脂的流動、滲透，實(shí)現(xiàn)樹脂對纖維增強(qiáng)材料的浸漬，并利用烘箱等非熱壓罐固化設(shè)備進(jìn)行固化[5-6]。相較于RTM工藝，VARI 工藝為低壓成型，可有效避免壓力不足或壓力過大造成的空隙超標(biāo)，泡沫芯損傷等缺陷，同時(shí)因固化壓力小，產(chǎn)品最終變形量也相對較小，對于保證零件成型精度極為有利，目前已逐步應(yīng)用于各類復(fù)合材料泡沫夾芯壁板的生產(chǎn)。

VARI 工藝采用單面模具，零件一側(cè)與模具貼合，另一側(cè)與真空袋貼合。為了保證樹脂浸潤效果及浸潤速度，VARI 工藝常在零件靠袋面鋪放導(dǎo)流網(wǎng)，以保證零件上蒙皮與泡沫芯上表面有較好的結(jié)合效果；而復(fù)材零件所用泡沫芯均為閉孔聚酰亞胺材料，樹脂無法沿泡沫芯厚度方向滲透。為了保證零件貼模面的氣動外形面要求，貼模面無法鋪放導(dǎo)流網(wǎng)，整個(gè)零件芯下層缺少有效的導(dǎo)流措施，樹脂滲透難度大，易形成各類質(zhì)量缺陷，因此需對泡沫芯采取開槽、開孔等處理措施，提高芯下層樹脂滲透速度，保證樹脂能充分浸潤整個(gè)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。但開孔或者槽的尺寸大小、槽的位置、間距等參數(shù)的確定，僅靠工藝人員的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)則會拉長產(chǎn)品研制周期，浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力。

近年來，隨著數(shù)值仿真技術(shù)的普及與應(yīng)用，采用仿真計(jì)算的方法確定VARI 成型工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)越來越受到人們重視，該方法可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到不同工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)對VARI 成型質(zhì)量的影響，從而指導(dǎo)實(shí)際工藝過程，大幅度降低工藝成本[7-9]。本文正是基于數(shù)值模擬仿真方法，針對泡沫結(jié)構(gòu)VARI 工藝樹脂浸潤過程進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究，借助PAM-RTM仿真軟件，研究泡沫芯不同處理措施下的VARI 樹脂滲透過程，得到不同處理方式下的樹脂浸潤結(jié)果，從而確定更為合理的泡沫芯處理方式。同時(shí)，借助典型泡沫芯滲透試驗(yàn)進(jìn)行模型驗(yàn)證，為VARI 工藝在泡沫夾層類制件的工程化應(yīng)用推廣提供參考。

2 VARI 成型數(shù)學(xué)模型

復(fù)合材料VARI 工藝充模過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，在模擬仿真時(shí)需要做出一些假設(shè)從而減小建模工作量，提升計(jì)算效率：①樹脂反應(yīng)中會有放熱現(xiàn)象發(fā)生，從而引起模具溫度和樹脂黏度的變化等?？紤]到充模時(shí)間較短以及樹脂化學(xué)反應(yīng)較為緩慢，因此本研究中不考慮樹脂的化學(xué)反應(yīng)放熱；②纖維增強(qiáng)體表示為剛體，不隨樹脂的流動而變形，而充模時(shí)的壓力較小，可將樹脂看作不可壓縮的牛頓流體，且纖維和樹脂之間無質(zhì)量交換；③相較于樹脂流動的驅(qū)動力，表面張力很小，同時(shí)忽略模腔壁的阻力[10]。

在VARI 成型工藝過程中，樹脂在模腔內(nèi)的流動可視為牛頓流體在多孔介質(zhì)中的流動，而各向異性多孔介質(zhì)中流體的滲流可以用達(dá)西定律表示：

對于不可壓縮流體，其連續(xù)方程可以表示為：

在x 方向的入口處邊界，通常為恒壓或者恒速，該方向的流動方程可以表示為：

式中：Q 為體積流率，h 和w 表示纖維織物的厚度和寬度。不考慮流體的均勻性的情況上，上述公式可以簡化為：

式中：A 表示試樣的橫截面積m2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真比較

3.1 VARI 成型試驗(yàn)方案

VARI 成型試驗(yàn)件所用主材料為Toolfusion-3 環(huán)氧樹脂，該樹脂為雙組份環(huán)氧樹脂體系，樹脂（Part A）與固化劑（Part B）的比例為100:85，AIRTECH 公司。泡沫芯為Cascell 75WH-HT-δ25mm 剛性泡沫塑料，中科恒泰公司。

機(jī)加工1 塊400mm×200mm 泡沫芯，在泡沫芯的前100mm 長度方向上，每隔25mm×25mm 沿泡沫芯厚度方向開1mm 的通孔，在剩余長度方向上，一半沿長度方向每隔25mm 開1mm 深×1mm 寬的單向槽，一半沿長度及寬度方向每隔25mm×25mm 開1mm 深×1mm 寬的十字槽。按VARI 工藝放置其余輔助材料，并在上表面1/3 位置處放置導(dǎo)流網(wǎng)，同時(shí)布置注膠口及出膠口，在透明玻璃板上制真空袋，將Toolfusion-3 注入泡沫芯中，觀察并記錄泡沫芯樹脂滲透過程，如圖1 所示。

圖1 泡沫芯浸潤驗(yàn)證試驗(yàn)

3.2 VARI 成型仿真過程

本文使用的仿真軟件為PAM-RTM，該軟件對于液體成型仿真極為適用，可以仿真分析VARI 成型中注膠口和溢口的位置及數(shù)量，預(yù)測樹脂在預(yù)制體中的流動狀態(tài)，以及注膠時(shí)間和注膠壓力等[11]。借助PAM-RTM仿真分析軟件，構(gòu)建泡沫芯VARI 工藝樹脂滲透模型，對照實(shí)際泡沫芯試驗(yàn)件，分別對泡沫芯模型做開孔、開十字槽、單向槽處理。采用NDJ-8S 旋轉(zhuǎn)式數(shù)顯粘度計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行樹脂黏度的測試，測試其黏度為160Pa·s，并將該實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入到仿真軟件中。為了可以準(zhǔn)確捕捉到樹脂沿泡沫芯的流動過程，仿真模型采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行單元劃分，同時(shí)需要將網(wǎng)格細(xì)化，其中網(wǎng)格數(shù)量為498246，節(jié)點(diǎn)數(shù)為499894，如圖2 所示。將設(shè)置好邊界條件和材料參數(shù)的模型進(jìn)行計(jì)算，觀察仿真結(jié)果并記錄，分析不同泡沫芯處理方式對樹脂浸潤過程的影響。

圖2 泡沫芯樹脂浸潤仿真模型

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析

3.3.1 注膠-開孔泡沫芯階段

對泡沫芯采取開孔處理等同于在泡沫芯上下表面搭建了多個(gè)沿厚度方向的樹脂流道，沿導(dǎo)流網(wǎng)流經(jīng)上表面的樹脂也可通過泡沫芯上的小孔沿厚度方向向下浸潤，如圖3 所示。每處通過小孔達(dá)到泡沫芯下表面的樹脂均可看作在下表面內(nèi)部新增了多個(gè)小的點(diǎn)注口，如圖3a 所示。這些點(diǎn)注口樹脂成圓狀向四周浸潤擴(kuò)散匯集，形成均勻的流動前鋒向前浸潤，如圖3b 所示，可以看到僅通過5min，樹脂便可以在開孔泡沫芯上長度方向上浸潤10cm。開孔處理方式有效借助了泡沫芯上導(dǎo)流網(wǎng)的滲流效果，進(jìn)一步提高了整個(gè)泡沫芯結(jié)構(gòu)樹脂浸潤速度，并且樹脂的流動前沿分布非常均勻。

圖3 開孔泡沫芯下表面樹脂浸潤過程試驗(yàn)與仿真結(jié)果

3.3.2 注膠-開槽泡沫芯階段

對泡沫芯采取開槽處理時(shí)，樹脂無法沿著泡沫芯厚度方向流動，但泡沫芯上新增的這些細(xì)小的槽可視作多個(gè)快速流道，如圖4 所示。對單向槽而言，樹脂在浸潤時(shí)率先沿著單向槽向前快速浸潤后，槽內(nèi)樹脂再向兩側(cè)逐步浸潤滿整個(gè)泡沫芯下表面，樹脂流動前鋒呈現(xiàn)“山”字狀，貼模面一側(cè)樹脂流動速度顯著提升；采用十字槽時(shí)，樹脂也能沿開槽后形成的快速流道向前浸潤，但樹脂流動方向垂直的橫向槽對樹脂流動起到了分流作用，樹脂流動前鋒呈現(xiàn)“十”字狀，在縱橫交錯的快速流道作用下，樹脂率先形成多個(gè)“口”字型的小的樹脂包裹區(qū)域，口型包裹區(qū)先沿著四周的十字槽浸潤后再向口型區(qū)中間位置逐步浸潤?？梢钥吹剑瑪?shù)值仿真的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近。但相較與單向槽，兩種處理方式下貼模面一側(cè)樹脂流動前沿速度基本一致，即十字槽一側(cè)樹脂抵達(dá)出膠口位置的時(shí)間與開單向槽泡沫芯一致，但十字槽區(qū)仍存在較多未滲滿的口型包裹區(qū)，與同側(cè)單向槽相比，泡沫芯樹脂浸潤程度較差，隨著時(shí)間延長，單向槽區(qū)泡沫芯已全被樹脂浸潤，而十字槽區(qū)仍存在部分未滲滿區(qū)域，且十字槽泡沫芯區(qū)域起始位置段所形成的口型區(qū)中間樹脂浸潤后的顏色較淺，樹脂浸潤不充分，最終樹脂浸潤滿整個(gè)泡沫芯所需時(shí)間明顯久于單向槽結(jié)構(gòu)。

圖4 開槽泡沫芯下表面樹脂浸潤過程

由上述比較可以看出，相較于開槽工藝，開孔工藝有效連通泡沫上下表面樹脂滲透過程，而開槽工藝則僅是在泡沫芯底面構(gòu)建了多條快速通道，依靠快速流道對樹脂的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)樹脂滲透。開孔工藝所形成的多個(gè)點(diǎn)注口數(shù)量多，點(diǎn)注口向四周呈橢圓擴(kuò)散覆蓋面更快更廣，整個(gè)樹脂流動前沿更為均勻，最終體現(xiàn)為開槽工藝樹脂滲透速度略慢于開孔工藝。實(shí)際浸潤過程中，浸潤100mm 的泡沫芯，開孔后所需時(shí)間僅為5min，而對應(yīng)的單向槽和十字槽分別需要7min 和9min 的時(shí)間，開孔工藝的效率明顯高于單向槽和十字槽工藝。

4 結(jié)論

本文以泡沫夾層結(jié)構(gòu)為研究對象，借助PAM-RTM軟件完成開孔、開單向槽和開十字槽三種泡沫芯處理方式下的VARI 工藝樹脂浸潤仿真分析，并結(jié)合泡沫芯樹脂浸潤試驗(yàn)進(jìn)行比對驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）對泡沫芯進(jìn)行開孔或開槽處理均可有效提高VARI 工藝樹脂浸潤泡沫芯時(shí)，芯下層樹脂浸潤速度，保證芯下層樹脂浸潤充分，避免干斑等缺陷產(chǎn)生；

（2）三種處理方案中，泡沫芯開孔方案對樹脂浸潤速度提升最為明顯，且樹脂流動前鋒更為均勻，能有效保證泡沫芯樹脂滲透效果。開槽方案選擇沿樹脂浸潤方向開單向槽，樹脂流動前鋒呈山字狀，樹脂浸潤速度雖略慢于開孔方案，但仍可充分浸潤滿泡沫芯結(jié)構(gòu)；

（3）實(shí)際泡沫夾芯類零件制造時(shí)，需結(jié)合泡沫芯采取開槽或開孔處理方案，控制泡沫芯靠袋面一側(cè)導(dǎo)流網(wǎng)鋪放大小，盡量保證泡沫芯芯上芯下樹脂流動狀態(tài)趨于一致，可提高泡沫夾芯結(jié)構(gòu)樹脂浸潤效果及內(nèi)部質(zhì)量；

（4）樹脂浸潤過程仿真與實(shí)際注膠結(jié)果仍存在一定差距，為了進(jìn)一步提高樹脂浸潤過程仿真的準(zhǔn)確性，仍需通過大量實(shí)驗(yàn)積累不同材料、不同角度鋪層的纖維滲透率等相關(guān)參數(shù)。