双尺度LCM工艺的树脂流动的数值模拟

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纤维束编织或缝合的预制体具有双尺度多孔介质特性。近年来实验研究表明,树脂在双尺度多孔纤维预制体中流动时,流动前沿的上游附近存在半饱和区。这对基于假定将树脂在纤维预制体流动过程处理为牛顿流体在单尺度多孔介质的流动问题的充模理论模型及模拟方法提出了挑战,导致目前的理论模拟高估了充模的压力。基于存在半饱和区域的实验现象,一些学者建立较真实反映树脂在双尺度纤维预制体中偏离Darcy流动特征的修正模型(沉浸模型)来研究双尺度多孔介质中的不饱和流动。  本文通过体积均匀化的方法建立了树脂在纤维束间和纤维束内流动的控制方程,基于沉浸模型,在方程的等式的右边引入一个非零的沉浸项。通过采用控制体有限元法对方程进行数值求解,并通过具体的实例,模拟了树脂在多孔介质中的压力分布和饱和度分布。  本文的主要工作如下:  1、本文主要介绍了有限元的理论基础以及有限元法的单元及插值函数的构造,其中详细地介绍了三角形单元和四面体单元;采用体积均匀化的方法建立了树脂在双尺度多孔介质中流动的控制方程以及推导出沉浸项的表达式;生成有限元方程并设计算法,针对不同规格的预制体模拟树脂在流动过程中的压力分布和饱和度分布。  2、本文分别模拟了一维、二维和三维预制体中的树脂流动,可以得出:树脂在一维的双尺度多孔介质中流动时,在饱和区域,流动压力与流动前沿呈线性关系,在半饱和区域,流动压力与流动前沿不再呈线性关系,并且非线性区域由流动前沿决定。树脂在二维和三维的双尺度多孔介质中流动时,开始注入时,压力很大,即将填充的空间增大幅度很大,此时压力与流动前沿的曲线梯度很大;随着填充的进行,当填充大半后,压力较小,而即将填充的空间增大幅度较小,此时压力与流动前沿的曲线梯度较小。
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