LCM工艺细观流动与固化过程的数值分析

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纤维增强树脂基复合材料以质轻、高强和耐腐等特性在航空航天、机电工业、建筑设施等诸多领域中取代传统的金属材料而得到较为广泛的应用,尤其是在航空和风力发电领域。LCM技术是树脂基复合材料的主要成型方法。其在充填过程中存在的空隙、纤维浸渍不良以及在固化过程中存在的温度和固化度的不均匀性等问题直接影响到制件的质量。因此本文对LCM成型技术中树脂细观流动过程和固化过程进行研究。本文建立了树脂在纤维束间流动的数学模型。在恒压入口边界条件下,同时考虑重力和表面张力对树脂流动过程的影响,利用Fluent软件中的PISO算法,并结合VOF界面追踪技术实现了树脂非稳态流动的数值模拟,揭示温度、恒定充填压力和纤维束间距等参数对纤维束间树脂流动前沿的变化规律。将增强材料视为多孔介质区域,考虑多相流问题,建立了树脂在纤维束内和纤维束间流动的数学模型。树脂在纤维束内的流动采用多相多孔介质模型内的流动行为描述,树脂在纤维束间采用纯流体的流动行为描述,两者之间的耦合区域采用单区域法处理。分别对充填过程中的工艺参数对树脂流动的影响规律进行数值模拟,得到充填压力、纤维束间距、渗透率和孔隙率等对纤维束内和纤维束间树脂流动前沿的变化规律。基于Abaqus有限元软件的二次开发接口,利用Fortran语言平台编写了固化过程程序,实现LCM工艺固化过程的数值模拟。讨论了固化温度曲线中的升温速率、模型板厚度和复合材料中纤维体积含量等参数对固化过程中的温度场和固化度场的影响。以三维U型件的固化过程为例进行模拟分析,表明该程序同样适用于复杂结构件固化过程的研究。本文的研究为实际生产中得到均匀性较好的树脂基复合材料制件提供指导。
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