摘 要 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料VARI成型過(guò)程中樹(shù)脂流動(dòng)較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生干斑等缺陷。傳統(tǒng)的試錯(cuò)法存在周期長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，借助有限元軟件研究其樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程是非常有必要的。本文采用有限元控制體積法模擬圓環(huán)型夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的充模過(guò)程，計(jì)算出增強(qiáng)材料的滲透率，設(shè)計(jì)出三種充模方案。結(jié)果表明，沿模型外圈鋪設(shè)注膠管道，內(nèi)圈鋪設(shè)出膠管道的充模方案，充模時(shí)間為4500s，是最合適的充模方案，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，并對(duì)其平拉、平拉、側(cè)壓、剪切、剝離、彎曲性能進(jìn)行了測(cè)試。

關(guān)鍵詞 夾層結(jié)構(gòu)；充模過(guò)程；滲透率；有限元模擬

Simulation Study of VARI Resin Filling for Circular Sandwich Composite

CHEN Si1， WU Hailiang1，2， YANG Zhong2， WANG Weili3， LOU Xiaojie3， WU Xiaoqing1

（1.Tianjin Polytechnic College of Textile Science and Engineering， Tianjin 300387;2.Dongfang Electric （Tianjin） Wind Blade Engineering Co.， Ltd.， Tianjin 300387；3.Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The resin flow during VARI molding of sandwich structure composites is more complicated and prone to defects such as dry spots. The traditional trial-and-error method has the disadvantages of long cycle time and high cost， and it is necessary to study the resin flow process with the help of finite element software. In this paper， we used the finite element control volume method to simulate the mold filling process of the circular sandwich structure composite material， calculated the permeability of the reinforcement material， and designed three mold filling schemes， the results show that the mold filling time of 4500s is the most suitable mold filling scheme， which is consistent with the test results. The test was conducted on the performance of flat pulling， flat tensioning， lateral tensioning， shearing， peeling， and bending.

KEYWORDS sandwich construction; mold filling process; permeability; finite element modelling

1 引言

泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料因輕質(zhì)高強(qiáng)、剛性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于航空航天、船舶、風(fēng)電等領(lǐng)域。典型的泡沫夾層復(fù)合材料是由兩個(gè)薄而硬的樹(shù)脂基復(fù)合材料板作為面板，厚而輕的泡沫作為芯材，組成的類似于三明治的一種夾層結(jié)構(gòu)。目前對(duì)泡沫夾層復(fù)合材料的研究主要集中在其力學(xué)性能和材料上，Stanley和Adams等提出縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的概念，縫合過(guò)后的復(fù)合材料板彎曲性能、面外拉伸強(qiáng)度、芯材剪切強(qiáng)度、側(cè)壓強(qiáng)度和沖擊后的壓縮強(qiáng)度等均有所提高［1］。Long［2］等研究發(fā)現(xiàn)Z-pin增強(qiáng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合料的彎曲性能顯著提高。Wang［3］等人提出對(duì)泡沫芯材進(jìn)行打孔處理，借助充模過(guò)程中孔中所填充的樹(shù)脂來(lái)提高其性能，發(fā)現(xiàn)隨著孔密度的增加，其彎曲、壓縮和剪切性能都有所改善。Halimi［4］等研究了六種不同的開(kāi)孔形式對(duì)其泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)彎曲臨界載荷和屈服吸收能量最大增幅為38%、100%，同時(shí)其脫粘臨界載荷和斷裂韌性也有所提高。Truxel［5］等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)芯材上的凹槽處理能阻止裂紋的擴(kuò)展。

VARI工藝操作簡(jiǎn)單，是典型的低壓成型方法，廣泛的應(yīng)用于泡沫夾層復(fù)合材料的制造，有效避免了泡沫的塌陷。由于泡沫為閉孔結(jié)構(gòu)，滲透性能極差，成型過(guò)程中易出現(xiàn)干斑等缺陷，降低復(fù)合材料的性能，傳統(tǒng)試錯(cuò)法存在周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)成本高等缺點(diǎn)，本文主要研究圓環(huán)泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的VARI充模過(guò)程，設(shè)計(jì)合適的充模方案，利用有限元仿真法分析流動(dòng)過(guò)程，優(yōu)化工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用。

2 理論

VARI的充模過(guò)程可視為不可壓縮流體的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程，分布介質(zhì)和纖維增強(qiáng)體均視為多孔材料，流動(dòng)的雷諾數(shù)很?。?］，用達(dá)西定律來(lái)描述樹(shù)脂的流動(dòng)過(guò)程如公式（1）所示。

3 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料VARI充模模擬

3.1 幾何模型的建立

建立圓環(huán)型泡沫夾層結(jié)構(gòu)建模型，如圖1所示。

3.2 纖維材料滲透率

雙軸向經(jīng)編織物作為其面板增強(qiáng)材料，采用單胞法計(jì)算其滲透率，基于其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行如下建模假設(shè)：

（1）忽略捆綁紗線在樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程中的作用。

（2）紗線包括方向相同的N根、半徑為r且均勻分布的玻璃纖維單絲組成的纖維束。

（3）外力作用下，纖維束截面形狀由橢圓形變?yōu)榕艿佬尾⑹冀K保持跑道形的形態(tài)。

（4）相同排列方向的纖維束上下對(duì)齊，忽略其纖維束滑移的影響。

建立單胞模型如圖2所示，其中W、B、H分別為纖維束間距、寬、高，分別為0.170 mm、0.234 mm、1.092 mm，纖維體積含量為0.568。

根據(jù)所計(jì)算滲透方向設(shè)置入口面和出口面，其余對(duì)應(yīng)面施加周期性邊界條件，使其壓強(qiáng)和流速分布相同，消除壓力差的影響。單胞X、Y、Z三個(gè)方向的速度云圖及壓力云圖如圖3和圖4所示，對(duì)出口面樹(shù)脂流速進(jìn)行面積分，帶入達(dá)西定律得到滲透率值。

經(jīng)處理后泡沫上存在的槽、洞有一定的導(dǎo)流作用，影響其滲透性能。

泊肅葉方程主要描述流體在圓形長(zhǎng)管中的流動(dòng)規(guī)律，同時(shí)滿足達(dá)西定律，結(jié)合兩者得到孔滲透率的計(jì)算公式如公式（10）和（11）所示。

3.3 充模方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)三種充模方案，（a）沿內(nèi)圈鋪設(shè)注膠管道，外圈鋪設(shè)出膠管道；（b）將注膠管道鋪放在結(jié)構(gòu)件外圈，內(nèi)圈鋪設(shè)出膠管道；（c）沿半徑方向呈90°各鋪設(shè)四條注膠管道和四條出膠管道，如圖5所示。

3.4 充模結(jié)果與分析

整體充模時(shí)間云圖如圖6所示，表1列出了三種方案充模時(shí)間，樹(shù)脂流動(dòng)前沿如圖7所示。結(jié)構(gòu)件具有對(duì)稱性，選取其四分之一分析研究。

方案（a）的充模時(shí)間為5300s，樹(shù)脂首先浸潤(rùn)上層面板，通過(guò)孔、槽到達(dá)下層面板并由內(nèi)向外擴(kuò)散，其中由于孔、槽滲透率較高，其樹(shù)脂流速相比面板快的多，圖7（a）展示了4158 s時(shí)模型直徑2990 mm處的樹(shù)脂流動(dòng)前沿，此時(shí)樹(shù)脂已經(jīng)到達(dá)最外圈，直徑為10 mm的圓環(huán)浸潤(rùn)時(shí)花費(fèi)了1142 s，這是由于隨著直徑的增大，樹(shù)脂被分散，流速下降；方案（b）整體充模時(shí)間為4500 s，樹(shù)脂從外圈向內(nèi)流動(dòng)，隨著直徑的減小，樹(shù)脂聚集，整體浸潤(rùn)良好。方案（c）整體浸潤(rùn)時(shí)間為5470 s，樹(shù)脂呈扇形從兩邊向中間流動(dòng)，但由于槽、孔的存在，樹(shù)脂流動(dòng)情況較為復(fù)雜，圖7（b）為5072 s時(shí)模型直徑1550-1710 mm處的樹(shù)脂流動(dòng)前沿，有包絡(luò)現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終由于樹(shù)脂子流未完全重合而出現(xiàn)干斑缺陷。

從充模時(shí)間來(lái)看，方案（b）充模時(shí)間最短，三種充模方案中影響其充模時(shí)間的主要因素為注膠口面積大小，方案（a）注膠口面積較小，開(kāi)始階段樹(shù)脂量少，導(dǎo)致樹(shù)脂流速較慢；方案（b）注膠口面積大，顯著增加了樹(shù)脂流速；方案（c）注膠口面積最小，其充模時(shí)間最長(zhǎng)。從充模質(zhì)量來(lái)看，方案（a）外圈需要花費(fèi)大量時(shí)間浸潤(rùn)，易在外圈處形成干斑；方案（c）中間部分出現(xiàn)包絡(luò)現(xiàn)象，易出現(xiàn)浸潤(rùn)不充分的現(xiàn)象；方案（b）整體樹(shù)脂流動(dòng)情況良好。

綜合來(lái)看，方案（b）的充模質(zhì)量及充模時(shí)間均占優(yōu)勢(shì)，且流道布置操作簡(jiǎn)單，為最優(yōu)充模方案。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 復(fù)合材料制備

采用VARI工藝制備圓環(huán)形結(jié)構(gòu)件，主要制備流程為涂脫模劑、鋪放輔助材料及增強(qiáng)材料、排布導(dǎo)流管、密封真空袋、抽真空、保壓、注膠、固化成型、脫模。

環(huán)形結(jié)構(gòu)件制備過(guò)程中的樹(shù)脂流動(dòng)圖如圖8所示，其實(shí)際充模完成時(shí)間為1.32 h，與方案二的模擬結(jié)果相差5.3%，說(shuō)明模擬結(jié)果較為精確。

4.2 性能測(cè)試

對(duì)其平拉、平壓、側(cè)壓、剪切、剝離、彎曲進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)裁剪試片。

平拉性能：參照《GB/T 1452-2005 夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法》，試樣尺寸為60 mm×60 mm，加載速率為1 mm/min。

平壓性能：參照《GB/T 1453-2005 夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》，試樣尺寸為60 mm×60 mm，加載速率為1 mm/min。

側(cè)壓性能：參照《GB/T 1454-2005 夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能測(cè)試方法》，試樣尺寸為160mm×60 mm，加載速率為1 mm/min。

剪切性能：參照《GB/T 1455-2005 夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗(yàn)方法》，試樣尺寸為200 mm×60 mm，加載速率為1 mm/min。

剝離性能：參照《GB/T 1457-2005 夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法》，試樣尺寸為300 mm×60 mm，加載速率為20 mm/min。

彎曲性能：參照《GB/T 1456-2005 夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能性能試驗(yàn)方法》，試樣尺寸為240 mm×60 mm，加載速率為0.5 mm/min。

4.3 結(jié)果與討論

測(cè)得的平拉載荷-位移曲線如圖9所示，平拉強(qiáng)度為2.53 MPa，與未經(jīng)處理的泡沫夾層復(fù)合材料的平拉強(qiáng)度1.49 MPa［9］相比提高了69.80%，說(shuō)明開(kāi)槽打孔的處理提高了其平拉性能，由于溝槽中樹(shù)脂柱起到了很好的粘接作用，使泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的縱向性能增加。

平壓載荷-位移曲線如圖10所示，其平壓載荷為8.684 KN，平壓強(qiáng)度為2.44 MPa，相比未經(jīng)處理的泡沫夾層復(fù)合材料的平壓載荷2323 N ［9］相比提高了274%，平壓載荷作用下，泡沫孔中的樹(shù)脂柱為主要承力物，顯著提高了泡沫夾層復(fù)合材料的抗平壓能力。

側(cè)壓載荷-位移曲線如圖11所示，側(cè)壓強(qiáng)度為12.86 MPa，相比未經(jīng)處理的泡沫夾層復(fù)合材料［9］提高了55.30%，試樣出現(xiàn)面板與芯材分離的現(xiàn)象，分離時(shí)斷裂痕跡不平整且分離從泡沫根部開(kāi)始，說(shuō)明側(cè)壓作用時(shí)，孔中的樹(shù)脂柱為主要承力物，樹(shù)脂柱能夠阻擋裂紋擴(kuò)展，溝槽中樹(shù)脂柱的存在增大了芯材與面板的粘接面積，對(duì)提高其側(cè)壓性能也有一定的幫助。

剪切載荷-位移曲線如圖12所示，其剪切強(qiáng)度為1.16 MPa，相比文獻(xiàn)［9］中未經(jīng)處理的泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提高了18.37%。剪切作用下，有明顯的裂縫的產(chǎn)生以及面板與芯材分離的現(xiàn)象，裂縫處出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，說(shuō)明泡沫溝槽中的樹(shù)脂柱有防止裂紋擴(kuò)散的作用，且由于樹(shù)脂柱的存在，有效的擴(kuò)大了面板與芯材的膠結(jié)面積，有效的提高了泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的層間剪切性能。

剝離載荷-位移曲線如圖13所示，其剝離載荷為1.69 kN，相比文獻(xiàn)［10］中所測(cè)得的未經(jīng)處理的泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料剝離性能提高了128.07%。剝離載荷作用下，泡沫槽和孔中的樹(shù)脂柱為主要承力物，泡沫中的樹(shù)脂柱發(fā)生斷裂。

彎曲載荷-位移曲線如圖14所示，其彎曲載荷為2.225 kN，相比文獻(xiàn)［9］中未經(jīng)處理的泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提高了85.42%。彎曲試驗(yàn)后，面板與芯材部分出現(xiàn)分離以及芯材部分?jǐn)嗔训默F(xiàn)象，彎曲載荷作用下，上層面板為主要的承力部分，主要受到壓縮作用，下層面板主要承受拉伸作用，芯材部分則主要承受剪切作用，從其破壞形式可以看出，芯材部分的承力能力最弱，同時(shí)觀察芯材部分的斷裂形式可以看出樹(shù)脂柱可以有效防止裂紋的擴(kuò)散。

5 結(jié)語(yǔ)

以圓環(huán)形泡沫夾層結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，對(duì)VARI成型工藝中不同充模方案進(jìn)行模擬和試驗(yàn)研究，確定合適的充模方案，并對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試，得出以下結(jié)論：

（1）采用單胞法計(jì)算雙軸向經(jīng)編織物面內(nèi)X、Y方向滲透為4.2×10-12m2、Z方向1.7×10-13m2，推算出孔、槽滲透率計(jì)算公式，2 mm直徑孔滲透率為5.0×10-7m2、截面積為2×2 mm2槽滲透率為3.3×10-7m2。

（2）圓環(huán)夾層復(fù)合材料采用外圈注膠內(nèi)圈出膠的充模方式，充模時(shí)間為4500 s、浸潤(rùn)情況良好，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

（3）外力作用下，圓環(huán)夾層復(fù)合材料槽、孔中的樹(shù)脂柱為主要承力物，顯著提高了其機(jī)械性能，其平拉、平壓、側(cè)壓、剪切、剝離、彎曲性能相比未處理泡沫分別提升了69.8%、274%、55.3%、18.37%、128.07%和85.42%。

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通訊作者：吳曉青，女，博士，教授。研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料。E-mail：362791945@qq.com