树脂在三维L形纤维预制体中流动的数值模拟

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多年来,树脂在纤维预制体中的浸润过程一贯被视为牛顿流体在单尺度多孔介质中的流动,但实际生产中采用的纤维预制体往往具有双尺度多孔介质特征。近年来研究人员在实验中发现,树脂在双尺度多孔介质中流动时,流动前沿的上游附近存在一个随流动前沿移动的半饱和区。随着对双尺度效应的认识逐步加深,沉浸模型被一些学者提出用来研究树脂在双尺度多孔介质中的流动。  对于树脂在一维和二维双尺度多孔介质中的流动特征已有不少的研究,但极少涉及树脂在三维双尺度多孔介质中流动的数值模拟。而实际工程问题无一不是复杂的三维问题,因此对三维问题研究更具有实际价值。故模拟树脂在三维双尺度多孔介质中的流动特征,对LCM工艺具有重要的参考价值。  本文主要工作和内容如下:  (1)介绍了有限元法的基本原理,并且详细介绍了六面体单元上形成有限元方程的具体步骤。  (2)采用体积均匀化的方法,建立树脂在双尺度多孔纤维预制体中流动的压力控制方程,并推导出沉浸项数学表达式。最后,设定树脂充模过程的边界条件,建立完整的数学模型。  (3)建立树脂在三维预制体中流动时压力场的有限元方程。对三维L形异面模板采用六面体进行离散,设计算法并编制PATRAN程序,用控制体法追踪恒压条件下树脂在三维L形纤维预制体中流动时,树脂在不同时刻流动前沿所在位置的分布、模腔不同位置的压力分布以及填充所用时间。  (4)由数值模拟结果表明:相同条件下,树脂在双尺度多孔介质中流动所用时间比在单尺度多孔介质中流动所用时间长,而且压力越大,填充所用时间越少。当以恒压注射时,在注入口附近,由于压力较大导致压力下降梯度较大,而且模腔填充体积增大快,故注入口附近位置填充所用时间较少。随着未填充的模腔体积慢慢变小,离注入口越远的位置压力较小,故压力下降梯度较小,故离注入口越远的位置达到饱和所用的时间越长。
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