LCM成型工艺实验报告

实验报告先进树脂基复合材料制造和模拟特色实验实验名称：LCM工艺模拟实验学号：SY1401136学生姓名：李婷婷指导教师：段跃新一、实验目的1.了解为什么要进行复合材料工艺模拟研究2.了解复合材料工艺模拟分析主要组成部分3.了解复合材料工艺模拟的技术要点4.了解RTM工艺树脂充模过程的影响因素二、实验原理1.RTM工艺RTM工艺又称为树脂传递模塑成型工艺，是指将液态低粘度树脂在一定压力下，注入预先铺放了纤维增强材料的闭合模具中，树脂流动、浸渍增强材料并固化成型的一种先进复合材料加工方法。RTM工艺的优点：它将树脂浸润，固化成型过程和增强纤维结构设计与制造分开；低成本，高质量的半机械化成型方法；增强材料和预成型体的可设计性强；纤维体积含量高，可达65%；采用低压注射技术，有利于制备大尺寸，复杂外形，两面光洁的整体结构。RTM成型条件：闭合模具内的树脂在较短的凝胶时间内迅速浸润纤维，并利用注射压力或其他工艺手段尽快排出气泡和干斑。注射口和溢料口对冲模时间和树脂流动模式冲击很大，是RTM工艺设计的关键。采用多孔注射工艺可使树脂在达到凝胶点之前充分浸润增强纤维，以免产生气泡和干斑。很多研究者在计算机模拟及RTM模具充模过程的优化领域进行了大量的努力，逐渐建立了一些应用于RTM工艺模拟研究的软件平台，为模具设计，树脂充模注射过程提供了理论依据。设计者可通过成型模拟预测压力分布，树脂流动模式，干斑的形成及充模过程中的其他现象。这些信息提供了RTM成型工艺参数的最优值，比如压力，注射速度，注射口和溢料口的位置。事实上，树脂流动前锋的变化在RTM成型工艺起着更重要的作用，在充模过程中的树脂流动形式对RTM成型工艺的成型参数影响很大。2.RTM工艺计算机模拟发展简史和现状有限元（FE，FiniteElement）是指那些集合在一起能够表示时间连续域的离散单元，对于实际问题，有限元分析法（FEA，FiniteElementAnalysis）不仅计算精度高，而且能适应各种大型复杂构件或多自由度体系分析。随和计算机技术的快速发展和普及，有限元分析法短短几十年内迅速从结构工程强度分析计算扩展到传热、流体运动、电磁等连续介质的几乎所有科学技术领域分析。近年来，在RTM工艺模拟中也采用控制体积有限元法，使得数值模拟取得了重大进展，从两维扩展到三维，计算精度也大为提高。3.RTM工艺计算机模拟原理3.1数学模型的建立在RTM工艺过程充模过程中因为微观尺度的复杂性，宏观尺度成为RTM工艺模拟的一般方法。在宏观方法中，树脂在模腔内的流动可以看成是牛顿流体在多孔介质中的流动，可以利用达西定律来模拟和分析这种流动。3.2达西定律当考虑重力时达西定律如下式所示：zPyPxPkkkkkkkkkwvuzzzyzxyzyyyxxzxyxx1也可写为张量符号gPKuu1达西定律应用于牛顿流体，忽略壳体内的惯性影响和栓塞流。用连续方程结果代替达西定律，该方程可解压力场因而可在多孔纤维铺层中模拟树脂的流动，许多研究证实了其准确度。4.数值计算方法FEM/CV法在有限元法/控制体积（FEM/CV）方法中，需要确定填充因子来表征某一区域的状态（已填充或未填充），并且对时间步长做了限制，以确保准稳态近似的准确度=性。求解过程仅建立在连续性方程的基础上，这就要求必须求解压力场，显示确定的速度场和流动速度。控制体积可以有两种类型：（1）联结结点周围各边界中点形成控制体积。（2）有限单元自身作为控制体积。在流动前锋，计算区域的边界是不断变化的，所以应该建立一种方法来确定流动前锋。对于模腔内的每个结点，设定结点填充分数f，代表整个模具中的每个控制体积。每个控制体积的填充分数代表树脂在总的孔隙中占据的分数。对于一个空的控制体积f=0，当控制体积完全被树脂填满f=1。f的值表示树脂占有控制体积的体积比。在流动前锋，填充系数总是在0和1之间。在计算过程中，填充系数f1的结点压力总是被设定为0可以计算压力，当模具部分充满成为空控制体积时压力是空气压力。根据这种方法，流动前锋正处在完全充满和完全空的控制体积交界处，流动前锋的边界条件施加在这些控制体积处。虽然前面的公式是稳定态的，但实际充模过程并不是这样。将实际充模过程简化成一系列稳定态的瞬间解的组合，新的流动前锋可由流动前锋的速度分量和时间步来估算。应对时间步大小进行限制以保证此亚稳态的过程是对连续性的充模过程的良好的近似。时间步的大小应只容许一个控制体积被充满，如果在一个时间步内有多于一个控制体积被充满，但它们不是被新充满或半充满的其它控制体积填充的，这只是一种时间上的巧合。循环求解此亚稳态过程，直到模腔完全充满。在压力场的求解过程中可以采用多种形式的有限元网格，除矩形外还可采用三角形，S单元等。4.树脂传递模塑（RTM）过程计算机数值模拟系统简介本系统由北京航空航天大学材料科学与工程学院高分子复合材料系开发，用于计算和模拟平板复合材料构件的RTM流动过程，具有显示流动过程和输出任一时刻压强分布的功能。三、实验步骤使用树脂传递模塑（RTM）过程计算机数值模拟系统进行RTM工艺分析，改变参数如压力、树脂粘度、渗透率、注胶口溢料口个数位置等进行工艺模拟。本次试验主要研究充模时间与树脂粘度、注射压力、渗透率、注射口和溢料口的关系。并从模拟中任意选择时间序号，得出该时刻模腔内的压力场分布。四、实验结果与分析4.1注射时间与树脂粘度的关系表4.1是模具内模的最大轮廓尺寸为（60.0，100.0，0.6），x、y方向的渗透率为1.0e-5cm2，注入压力为0.3MPa，注射口位置为（0，0），（0，1），（1，0），（1，1），溢料口3个（30，0）、（0，50）、（30，50），情况时的树脂粘度与最终充模时间的数据。图4.1为充模时间与树脂粘度的关系图。表4.1充模时间-树脂粘度树脂粘度（cp）30.060.090.0120.0150.0220.0充模时间（s）144.8515289.7029434.5544579.4059724.25731062.2441图4-1充模时间与树脂粘度关系曲线从图4-1中可以看出充模时间与树脂粘度基本成正比关系，粘度越大充模所需时间越长。树脂粘度越大，流动速度就慢从而充满模腔的时间就长。树脂粘度对充模时间影响很大，进而影响复合材料制件的质量。实际生产中应选择适当的树脂粘度，粘度太大，填充慢，效率不高；粘度太小会容易造成缺陷。4.2充模时间与注射压力的关系表4-2为是模具内模的最大轮廓尺寸为（60.0，100.0，0.6），x、y方向的渗透率为1.0e-5cm2，树脂粘度为60cp，注射口位置为（0，0），（0，1），（1，0），（1，1），溢料口3个（30，0）、（0，50）、（30，50），情况时的注射压力与最终充模时间的数据。表4-2充模时间-注射压力注射压力（MPa）0.100.150.200.250.30充模时间（s）890.0920586.1351437.0451348.4356289.7029注射压力（MPa）0.350.400.450.500.55充模时间（s）247.9164216.6654192.4119173.0419157.2155图4-2充模时间和注射压力的关系从图中可以看出，充模时间与注射压力成反比，符合达西定律。当注射压力较小时，随注射压力的增大，树脂充模时间随压力变化比较显著；当压力较大时，压力对树脂充模时间的影响减弱，随压力增大，充模时间几乎无明显变化。在实际的工艺过程中，不仅要考虑提高注射压力对充模效率的正面影响，还要考虑到压力增大可能会造成纤维变形而最终影响制品质量，并且由图中可以看出，压力过大，并不能够特别显著地提高成型效率。4.3注射方式对充模时间的影响表4-3是x、y方向的渗透率为1×10-5cm2，树脂的粘度为60cp，注射压力为0.3MPa时，不同注射口和溢料口位置对应的最终充模时间。图4-3（a）（b）（c）（d）（e）为模拟结果的时间彩图。表4-3不同注射方式所对应的充模时间注射方式注射点坐标放气点坐标充模时间（s）一角进、一角出（0,0）（0,1）（1,0）（1,1）（30,50）289.7029一角进、三角出（0,0）（0,1）（1,0）（1,1）（30,0）（0,50）（30,50）289.7029中心注射（14,24）（14,25）（15,24）（15,25）（0,0）（0,50）（30,0）（30,50）61.2798短边心注射（14,0）（15,0）（14,1）（15,1）（0,0）（0,50）（30,0）（30,50）168.9088长边心注射（0.24）（0，25）（1,24）（1,25）（0,0）（0,50）（30,0）（30,50）125.5533图4-3（a）一角进、一角出图4-3（b）一角进、三角出图4-3（c）中心点注射图4-3（d）短边心注射图4-3（e）长边心注射图4-4注射方式对充模时间的影响从以上分析可以看出，不同注射方式对充模时间的影响很大，其中中心点注射的充模时间最短，前两种注射方式虽然放气点坐标不同，但是充模时间相同，说明当注射点坐标一致是，放弃点坐标对注射时间的影响不是很大。在实际生产中，我们要根据实际要求来选择合适的注射方式，以使得制件的综合性能最高。4.4充模时间和渗透率的关系表4-4是树脂的粘度为60cp，注入压力为0.3MPa，注射口4个位置分别为（0,0），（0,1），（1,0），（1,1）溢料口3个（30,0），（0,50），（30,50）情况时的渗透率（x、y方向的渗透率相同）和最终充模时间的数据，图4-5为其关系图。表4-4充模时间-渗透率渗透率(1.0e-6cm2)51015202530充模时间（s）579.4059289.7029193.1353144.8515115.881296.5676图4-5充模时间-渗透率由以上分析看出，充模时间和渗透率成反比，当渗透率较小时，随渗透率的增大，充模时间减小较快；当渗透率增长到一定程度时，随渗透率的增加，对充模时间的影响不大。4.5特定时间模腔内压力场分布树脂的粘度为60cp，注入压力为0.3MPa，x,y方向的渗透率相同，为1e-5cm2，4个注射口位置为（0,0），（0,1），（1,0），（1,1），溢料口3个（30,0）、（0,50）、（30,50）情况时100s时模腔内压力分布图，如图4-6所示。图4-6特定时间内模腔的压力场分布由上图可知，离注射点越近，注射压力越大，距离注射点越远，压力越小。五、实验结论1、充模时间与树脂粘度基本成正比关系，粘度越大充模所需时间越久。2、充模时间与注射压力成反比，符合达西定律。3、充模时间与渗透率成反比。4、注胶口和溢料口的位置选择很重要，对充模时间影响很大，中心注射充模时间最短。5、在注射口附近，模腔的压力最大，随着离注射口距离的增大，压力变小。在实际生产中，我们要选择合适的参数，以使得我们的生产效率和产品性能达到最好。在这次实验中，我对RTM成型工艺有了更深层次的了解，会应用相应计算机技术对生产过程进行简单模拟，计算机模拟计算给我们的生产生活带来了很大的便利，使得我们的生产制造效率大大提高。