王一奇, 張新齊, 王超群, 馮振楊, 桑云飛

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高性能精密制造全國重點實驗室,遼寧 大連 116024)

0 引 言

復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、比強(qiáng)度高、比剛度高、耐腐蝕性強(qiáng)、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)勢,在航空航天、新能源、交通等領(lǐng)域逐漸得到了大量應(yīng)用。但是復(fù)合材料零件的制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬材料零件,過高的制造成本限制了復(fù)合材料的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,航空復(fù)合材料構(gòu)件成本的70%來源于制造成本,因此,先進(jìn)自動化制造技術(shù)和以液體成型技術(shù)為主的低成本制造技術(shù)得到了飛速發(fā)展[1]。樹脂傳遞模塑工藝(Resin Transfer Molding,RTM)具有纖維體積分?jǐn)?shù)高、成本低、制件表面質(zhì)量好、尺寸精度高等優(yōu)點,RTM成型工藝逐漸成為國內(nèi)外科研人員研究的重點。周云飛等[2]采用數(shù)值模擬的方法研究了纖維結(jié)構(gòu)的RTM成型過程樹脂浸漬的影響。孟祥福等[3]研究了RTM工藝參數(shù)對于復(fù)合材料缺陷控制的影響。隨著復(fù)合材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增多,對復(fù)合材料構(gòu)件成型質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格,不合理工藝參數(shù)設(shè)置以及纖維結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致制件出現(xiàn)氣孔、干斑等缺陷,大大降低制件的力學(xué)性能。目前,通常使用試驗法不斷試錯,不斷改進(jìn)工藝參數(shù)來提高產(chǎn)品質(zhì)量,這種方法費時費力,且對經(jīng)驗的依賴性過強(qiáng),同時也會造成材料的大大浪費。RTM工藝充模過程數(shù)值模擬的目的是優(yōu)化RTM成型工藝周期、預(yù)測不同工藝條件下的充模時間和模腔內(nèi)的壓力分布、顯示任意時刻的流動前沿位置以及預(yù)測可能出現(xiàn)的工藝缺陷[4]。樹脂在纖維預(yù)制棒內(nèi)的流動可以看作是一個兩相流多孔介質(zhì)模型,因此使用Fluent軟件建立有限元模型,采用流體體積(Volume of Fluid,VOF)界面追蹤方法,通過計算實現(xiàn)樹脂流場和壓力場的顯示,實現(xiàn)對樹脂流動過程的模擬。

1 樹脂流動數(shù)學(xué)模型

1.1 達(dá)西定律

樹脂在纖維預(yù)制體中的流動是一個十分復(fù)雜的過程,影響樹脂流動的因素非常多,包括流動速度、充填壓力、樹脂粘度、纖維增強(qiáng)體的滲透率等,在一個數(shù)學(xué)模型中很難考慮到每個因素的影響,為了建立精確的流動模型,需要對RTM工藝的樹脂流動過程進(jìn)行簡化,主要是基于以下假設(shè):1)充模過程中溫度并未發(fā)生改變,樹脂的粘度不會發(fā)生變化;2)樹脂在纖維預(yù)成型體中的流動慣性力很小,雷諾數(shù)小,可以忽略慣性力的大小;3)把樹脂看作牛頓型流體。

樹脂流動過程可以看作是樹脂(流體)在纖維增強(qiáng)體(多孔介質(zhì))中的流動,可以使用Darcy定律進(jìn)行描述[5],其一般形式為式(1):

(1)

式(1)中,u為速度矢量,K為纖維預(yù)成型體的滲透率張量,μ為樹脂的粘度,?P為壓力梯度。

在三維預(yù)制體中K包含6個獨立分量,公式(1)可表達(dá)為式(2):

(2)

1.2 流體體積(VOF)模型

采用VOF模型求解單獨的動量方程和處理穿過區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來模擬兩種不相互混合的流體。樹脂在纖維增強(qiáng)體中的流動就屬于氣液兩相流的流動,使用VOF方法可以有效的追蹤不同時刻樹脂流動前沿和模腔內(nèi)的壓力分布[6]。

特點是通過相函數(shù)F來表示某種流體所占網(wǎng)格的比率,對于樹脂空氣兩相流而言,當(dāng)F=1時,表明該網(wǎng)格占滿樹脂;當(dāng)F=0時,表明該網(wǎng)格充滿空氣;當(dāng)F介于0到1之間時,表明該網(wǎng)格處于氣液兩相的界面?；趧恿渴睾惴匠?VOF可求解得到整個計算域內(nèi)的速度場,氣液兩相流的控制方程為[7]式(3):

2 實驗驗證

2.1 材料參數(shù)

通過分析碳纖維復(fù)合材料RTM成型工藝過程中的缺陷形成及邊緣效應(yīng)特點,采用W-3075碳纖維平紋編織布(威海,光威復(fù)合材料有限公司)作為復(fù)合材料增強(qiáng)體(如圖1所示),碳纖維平紋編織布面密度為200g/m2,注入基體則為E-54環(huán)氧樹脂和905型固化劑(無錫,錢廣化工原料有限公司)按10:9混合后的樹脂混合物,樹脂粘度為0.2Pa·s。

2.2 單向流動試驗

采用碳纖維平紋編織布進(jìn)行單向流動實驗,成型模具如圖2所示,其主要包括8mm厚的鋼化玻璃的上壓板、鋼質(zhì)的下模具以及開窗的上模具,在25℃室溫條件下進(jìn)行填充。在模具正上方使用高清照相機(jī)記錄樹脂充模過程。樹脂流動過程如圖3所示。

圖1 碳纖維平紋編織布

圖2 RTM工藝成型模具

邊緣效應(yīng)是指纖維預(yù)成型體和成型模具之間不能完全吻合而存在狹窄間隙時,樹脂優(yōu)先從間隙中經(jīng)過,從而導(dǎo)致不良流動前沿的現(xiàn)象[8]。圖3為RTM工藝中邊緣效應(yīng)形成發(fā)展過程?？梢钥闯鲩_始階段,在樹脂充模10s時,樹脂流動前沿近似為直線,但是模具單側(cè)出現(xiàn)邊緣效應(yīng)(如圖3a所示),這可能是材料裁剪及鋪放時的的誤差導(dǎo)致的;在樹脂充模25s時,模具兩側(cè)開始出現(xiàn)比較明顯的邊緣效應(yīng),但是兩側(cè)樹脂流動距離不同(如圖3b所示);在樹脂充模50s時,邊緣效應(yīng)越來越明顯,樹脂流動最前沿和后沿之間距離達(dá)到最大(如圖3c所示);在樹脂充模90s時,兩側(cè)樹脂已充填完成,并繼續(xù)向中心流動(如圖3d所示);在樹脂充模140s時,兩側(cè)樹脂包絡(luò)完成,形成干斑(如圖3e所示);隨著樹脂的不斷注入,干斑變小并向出膠口移動,在樹脂充模200s時,從外表面看不到樹脂未浸潤的區(qū)域,干斑消失。繼續(xù)注膠直至出膠口看不到氣泡冒出,充模完成。邊緣效應(yīng)會對RTM工藝樹脂流動過程產(chǎn)生巨大影響,雖然可以觀察到干斑隨著充模過程的繼續(xù)逐漸消失,在試樣外表面并未觀察到明顯缺陷,但是在試樣內(nèi)部可能會存在空隙缺陷,需要對試樣截面進(jìn)行觀察。

2.3 空隙缺陷分析

在固化后碳纖維復(fù)合材料樣件寬度方向1/4和1/2處分別切開,得到用于觀測復(fù)合材料內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的截面1和截面2。使用Keyence VHX-600E超景深三維顯微鏡對分別對兩個截面不同區(qū)域進(jìn)行觀測,檢測結(jié)果如圖4所示。

在試樣的截面上可以看到細(xì)小空隙、纖維褶皺等缺陷,這是由于邊緣效應(yīng)的影響,兩側(cè)的樹脂流動速度快,中心位置樹脂流動速度慢,兩側(cè)樹脂向中心流動進(jìn)而包絡(luò)一部分空氣,形成干斑缺陷。隨著充模過程的繼續(xù),干斑變小并向前移動。通過不間斷的充入樹脂,干斑最后消失。通過對比截面1,截面2相同位置處的微觀圖片可以發(fā)現(xiàn),截面1在干斑最后消失位置處的空隙更少,這是由于干斑最后的形狀為橢圓形,大部分氣體留在中部位置。

圖3 RTM工藝中邊緣效應(yīng)形成發(fā)展過程:(a)10s時,單側(cè)出現(xiàn)邊緣效應(yīng);(b)25s時,雙側(cè)出現(xiàn)明顯的邊緣效應(yīng);

圖4 復(fù)合材料試樣沿長度方向微觀結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果:(a)寬度1/4處截面;(b)寬度1/2處截面

空隙是最容易產(chǎn)生的缺陷,在成型過程中空隙缺陷難以解決,空隙缺陷出現(xiàn)的原因主要是由樹脂流動速度決定的。當(dāng)樹脂流動速度較小時,樹脂在纖維絲束內(nèi)部的流速要大于纖維束間的流速,此時,纖維束內(nèi)的樹脂容易產(chǎn)生橫向流動,會導(dǎo)致細(xì)觀空隙的產(chǎn)生。當(dāng)樹脂流動速度較大時,樹脂在纖維絲束內(nèi)部的流速要小于纖維束間的流速,纖維束間的樹脂容易產(chǎn)生橫向流動,會導(dǎo)致微觀空隙的產(chǎn)生。此外由于樹脂未經(jīng)過脫氣處理,樹脂粘度大以及纖維結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致局部滲透率不均勻也可能導(dǎo)致空隙產(chǎn)生。

3 存在邊緣效應(yīng)的樹脂流動過程模擬

3.1 單向流動過程模擬

在有限元軟件Ansys中建立200mm×150mm的纖維結(jié)構(gòu)幾何模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,使用Fluent模塊對充模過程進(jìn)行模擬,選用VOF模型,設(shè)置纖維孔隙率為50%,滲透率為Kx=4.8×10-9m2,Ky=4.1×10-9m2。設(shè)置壓力入口條件,大小為0.5MPa,為了準(zhǔn)確模擬樹脂在纖維增強(qiáng)體中的實際流動行為,必須考慮邊緣效應(yīng)的影響。因此,在上述模型的基礎(chǔ)上,通過在纖維增強(qiáng)體與模具的邊界處加入一窄段高滲透率區(qū)域來模擬邊緣效應(yīng)。這一段區(qū)域的寬度為2mm,在這一區(qū)域中,纖維體積分?jǐn)?shù)為0,滲透阻力也為0,同時為了提高模擬精度,將這一區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,模擬結(jié)果如圖5所示。在樹脂充模10s時,模擬結(jié)果中雙側(cè)存在向邊緣效應(yīng)發(fā)展的趨勢,樹脂流動前沿為直線(如圖5a所示);在樹脂充模25s時,模擬結(jié)果中雙側(cè)出現(xiàn)對稱的邊緣效應(yīng),樹脂流動前沿為U形(如圖5b所示);在樹脂充模50s時,模擬結(jié)果中雙側(cè)出現(xiàn)對稱的邊緣效應(yīng)進(jìn)一步加劇,樹脂流動前沿和后沿的距離達(dá)到最大值(如圖5c所示);在樹脂充模90s時,模擬結(jié)果中雙側(cè)樹脂開始向中心包絡(luò),(如圖5d所示);在樹脂充模140s時,模擬結(jié)果中雙側(cè)樹脂包絡(luò)完成,樹脂流動前沿為橢圓形(如圖5e所示);在樹脂充模200s時,模擬結(jié)果空氣相消失,干斑消失(如圖5f所示)。從RTM工藝充模過程邊緣效應(yīng)的模擬過程可以看出模擬結(jié)果與實驗流動過程在不同階段出現(xiàn)的現(xiàn)象在時間上能夠較好吻合,證明模擬的精確性。但是在模擬結(jié)果中,雙側(cè)樹脂對稱向前流動,而在實驗過程中,出現(xiàn)了單側(cè)邊緣效應(yīng)以及雙側(cè)樹脂包絡(luò)速度不同現(xiàn)象。這主要是由于在實驗過程中,碳纖維平紋編織布的裁剪與鋪放存在誤差。在材料的準(zhǔn)備階段,手工并不能將裁剪出理想尺寸下的碳纖維編織布,在尺寸和形狀上會出現(xiàn)不同程度的誤差。在材料的鋪放階段,是依靠手工一層一層鋪疊的,鋪放纖維時可能難以保證精確的放置,也可能會出現(xiàn)邊緣纖維絲脫落,編織布變形等情況。上述情況會在纖維增強(qiáng)體和模具之間形成不規(guī)則的縫隙區(qū)域,導(dǎo)致流動前沿并不規(guī)則,而在模擬過程中,并未考慮上述情況的影響,對RTM工藝過程的模擬是理想情況下進(jìn)行的,因此導(dǎo)致模擬結(jié)果和實驗過程產(chǎn)生區(qū)別。

圖5 RTM工藝中邊緣效應(yīng)形成發(fā)展過程模擬結(jié)果:(a)10s時,未出現(xiàn)邊緣效應(yīng);(b)25s時,雙側(cè)對稱出現(xiàn)明顯的邊緣效應(yīng);

3.2 不同工藝參數(shù)對于充模過程的影響

針對不同工藝條件進(jìn)行充模過程的模擬,可以得到充模時間隨樹脂粘度、注射壓力的變化曲線,如圖6所示。樹脂流動前沿壓力隨流動距離呈線性關(guān)系。充模時間隨樹脂粘度的增加而近似線性增加,即樹脂粘度越小,充模具時間越短。充模時間隨注射壓力的增加而減小,在低壓區(qū)增加注射壓力可以明顯縮短沖模時間,在高壓區(qū),壓力增大,充模時間變化不明顯。

4 結(jié) 語

建立了RTM工藝成型過程的氣液兩相流流動模型,分析了邊緣效應(yīng)對于樹脂流動過程的影響,解釋了空隙缺陷的產(chǎn)生機(jī)理。設(shè)計了單向流動實驗,驗證了模型準(zhǔn)確性并分析了不同工藝參數(shù)對于樹脂流動過程的影響程度,為RTM工藝的改善提供參考。