真空辅助树脂传递模塑成型制作船壳数值模拟研究

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数十年来,复合材料年产量已达到千万吨层级,生产和消耗量稳步增长,其市场潜力巨大、应用覆盖广泛,已成为当前应用复合材料亟待发展和研究的热点,其中复合材料总量的绝大部分是由树脂基复合材料组成。本文研究使用的真空辅助树脂灌注传递模塑(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding,VARTM)工艺,是在树脂传递模塑成型(Resin Transfer Molding,RTM)工艺原型上进行改良的制造工艺。该工艺使用单模成型方式,模具成本较低,制造的成型件质量好、效率高,并且受产品形状尺寸限制较小,适宜制备大型及带有加筋等构件。作为树脂基复合材料的主流工艺技术之一,研究制作树脂基复合材料的VARTM成型工艺,是目前提升复合材料成型件品质的关键问题。因此通过建立模型,运用VARTM成型工艺仿真试验的过程,进一步研究纤维增强材料中树脂类型粘度和特性的体系、树脂浇注方式仿真模型的设计,对于增强树脂基复合材料的品质具有着极其重要的意义。本文依托仿真理论基础,研究了工艺对复合材料纤维含量及力学性能的影响,纤维体积分数在树脂注入口附近区域较低,在真空抽口附近区域时最高。制备的复合材料中的纤维体积分数与真空度呈现正相关。随真空度改变,复合材料的力学性能发生变化。在树脂充模前,对预成型体进行压缩可适当提高纤维体积分数。通过充模过程中溢流一定的树脂,能够提高复合材料的层间剪切强度和弯曲强度。目前,制作树脂基复合材料还面临模具设计不合理、树脂填充周期较长、出现气孔干斑现象等关键问题亟待解决。使用VARTM成型工艺对船壳模型进行复合材料成型制造,应用模拟仿真软件进行辅助,研究合理设置树脂的粘度、树脂的填充压强与产生干斑是否有联系,合理选择树脂、调整注射口的敞开闭合时间是否能有效解决干斑问题,以及研究通过直接加设溢流口等方法改善某些不可避免的干斑现象区域是否有显著作用。通过多种仿真研究和总结应用,有效地优化以船壳为模型的树脂基复合材料制备仿真分析设计,达到最大程度地提升成型效率与质量的目的。本文通过调整真空度、溢流树脂和树脂导入前压缩预成型体的工艺过程,剖析了乙烯基树脂在真空辅助树脂灌注传递模塑工艺过程当中树脂填充的最前沿流动状态,建立船壳模型并使用数值仿真软件RTM-worx进行分析。通过仿真进行比较而提出了使用线型中间注射法,并对容易频繁产生的气孔、干斑等问题,设计了具体的改进和优化的方案。首先研究了干斑形成的过程和机理,其次采用顺序注射方法,模拟试验分析树脂流道的设计对产生干斑的影响,并通过控制变量法排除其它干扰因素。提出采用冷却较慢的树脂进行填充,同时延迟注射口开启时间等措施来改进的方案。通过仿真分析,得出干斑现象的产生与树脂粘度、树脂填充压强均无直接关系,再通过科学设置合理的注射口开闭时间以及流道分布,以及合理设置溢流口,并根据注射方式及合理设置参数以缩短树脂填充的时间。最终,经过仿真分析验证,运用此方法可更有效优化方案,达到提升工艺成型的船壳制件品质效果。通过对树脂基复合材料的船壳制备工艺深入研究,并追踪树脂填充流动过程中前沿曲线并分析云图以指导操作,制定总体方案达到避免干斑缺陷出现的目的,最大限度地优化树脂浇注方法的工艺参数搭配方案,便能够制造出性能优良的乙烯基纤维复合材料。
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