LCM工艺中织物预制体压实性及渗透率变异性研究

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复合材料液体模塑成型工艺(LCM)是一种高性能复合材料构件的低成本制造技术。LCM成型过程中纤维预制体在压力作用下将产生厚度方向的压实变形,使渗透率降低。压实变形产生机制主要是纤维束被压实(纤维束横截面变平)和纤维束间相互错位产生嵌套效应。由于不同位置的嵌套程度不相同,嵌套效应具有空间分散性,使得渗透率不是均匀下降,即压实后预制体不同位置的渗透率具有变异性。传统的LCM理论模型把预制体渗透率按固定常数处理,将导致理论与实际的差异。本文以玻璃纤维预制体为研究对象,开展压实变形和渗透率变异性问题研究,有助于深入了解LCM流动充模机制、建立更符合实际的理论模型和提高模拟预测精度。主要研究内容和成果如下:(1)通过对不同织物结构和不同层数的纤维预制体进行压实实验,测试在厚度方向的宏观变形,分析了不同织物结构和不同层数的纤维预制体的嵌套效应。结果表明:纤维束横截面变平和嵌套效应对预制体的压实均有显著影响,且平纹织物的嵌套效应最强,随着压力和层数的增加层间嵌套效应更明显。(2)采用正弦曲线近似纤维束的波纹度,建立了一种预测单层和多层平纹编织织物压实响应的理论模型,该预测模型综合考虑了织物压实过程中纤维束横截面变平和织物层间的嵌套效应。分析表明:层数和嵌套量对多层平纹织物预制体的压实有显著影响,预测结果与实验结果吻合良好。(3)设计加工了测量局部渗透率的径向流动实验装置,对平纹织物进行了流动浸润实验,计算并分析了纤维预制体的局部渗透率。结果表明:整个纤维预制体的局部渗透率具有变异性,并非一个定值,且局部渗透率服从正态分布,多层织物局部渗透率统计分布的均值和方差均随着层数和厚度方向压力的增加而减小。最后探讨了纤维织物的铺设方式对局部渗透率统计分布的影响。(4)建立了考虑纤维束间隙、纤维束横截面形状和层间嵌套效应的单胞模型,利用有限元软件实现了单胞填充浸润的数值模拟,通过流量分析获得局部渗透率,并研究了渗透率的统计分布,其结果与实验测量的局部渗透率分布吻合良好。然后,基于局部渗透率的统计分布建立了随机渗透率场,并进行填充浸润的数值模拟,通过与恒定渗透率的传统方法以及实验结果的对比,验证了本文方法的有效性。
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