RTM-Worx——先進的樹脂模注工藝仿真軟件
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RTM-Worx是樹脂模注工藝領域內具有世界領先地位的數字化仿真分析軟件。RTM-Worx以其出色的表現贏得了世界各地廣大用戶的普遍贊譽，并在國際市場競爭中占據了領先的地位。 近年來，RTM（Resin Transfer Moulding）和CVI（Controlled Vacuum Infusion）等樹脂模注工藝技術由于其生產過程中很低的有機物揮發量、良好的可設計性及適合于成型中批量大型整體復雜構件等優點，被越來越廣泛地應用于高性能復合材料成型制造領域。然而，這些工藝技術需要在生產之前設計、加工出合適的模具設備。如何在較低的成本和周期下設計出既能滿足生產工藝需要，又能保證產品質量要求的模具一直是業界積極探討的熱點之一。 傳統的方法是憑經驗進行試制，不僅耗時耗力，而且難以保證產品質量，已經很難滿足現代復合材料模具設計生產的需要。在模具設計和制造過程中采用數字化技術進行仿真模擬，是提高模具開發效率，降低生產成本和提高產品質量的有效途徑之一。Polyworx公司早在十幾年前就已經致力于這方面的研究，并且已經取得了驕人的成績。 Polyworx公司是荷蘭一家致力于開發先進模注工藝流動仿真軟件的公司，其旗下的主打軟件產品RTM-Worx是樹脂模注工藝領域內具有世界領先地位的數字化仿真分析軟件，該軟件于1991年開始開發，已經歷十余年的歷程。最初的微機版本名為7，RTM-Worx在其基礎上進行了多項改進，使得操作更為簡便，顯示更為清晰，計算更為快捷，功能更為強大。
一、RTM-Worx的特點 RTM-Worx仿真軟件具有如下特點： ☆完全支持各向異性材料； ☆快速模擬樹脂傳輸流動路徑； ☆成熟的預處理和后處理系統； ☆兼容STL, DXF以及PATRAN格式輸入文件； ☆考慮織物材料的MSC/Patran層和板模塊的交互界面； ☆支持非等溫反應擴展； ☆穩定精確快速的算法； ☆內置分級文檔系統； ☆支持國際單位制和英制單位體系； ☆支持任意向量（速度、滲透性）、圖層和輪廓線圖（流動前沿，壓力，各種性能等等）的聯合顯示； ☆培訓時間短。
二、用戶界面 RTM-Worx采用基于強大的OpenGL庫的三維圖形顯示技術，其GUI界面如圖1所示，模型顯示區的左邊是一個控制面板，其上下各有一個工具條，這上面分布有建模和分析計算所需的全部菜單和按鈕，使得建模操作更加直觀和方便。
圖1 RTM-Worx圖形化用戶界面
三、 RTM-Worx功能介紹 RTM-Worx是一種基于有限元方法來計算樹脂在多孔介質中的流動方程，進而對RTM和CVI工藝進行仿真分析的軟件。該軟件以綜合了有限元分析和體積包絡計算的算法為核心，該算法快速穩定、功能強大、計算精確，能夠確保在很短的時間里為用戶提供準確的計算結果。 該軟件還為用戶提供了以模擬目標為中心的直觀的用戶界面和方便快捷的預處理和后處理系統。RTM-Worx直觀易用，適合那些不熟悉有限元原理但精通掌握樹脂模注工藝的工程師對該工藝進行局部或全部過程優化，使用者僅需很短時間的培訓和少量技術支持就能充分掌握，被公認為是樹脂模注工藝仿真領域內性價比最高的仿真分析軟件產品。 下面主要從幾何建模、有限元劃分、分析計算功能等幾個方面對RTM-Worx進行簡要介紹。 1.幾何建模功能 RTM-Worx擁有適用于數值仿真分析的三維空間幾何建模工具，用戶可以輕易建立或修改由控制點、連接控制點的線和由線包圍的面組成的三維空間幾何模型。在RTM-Worx中，三維立體結構以其對稱面來描述，在對稱面上除了具有幾何結構的厚度屬性外，還可以設置與仿真分析密切相關的纖維方向、纖維體積含量等屬性。 RTM-Worx也可以直接從其他建模應用軟件中直接導入現成的模型數據，目前這項功能支持的文件格式有： ☆AutoCAD DXF；包括二維和三維模型文件，最高支持到其r14版； ☆PATRAN Neutral格式文件（將單元網格轉換為RTM-Worx面模型）； ☆PATRAN層壓板鋪層文件（單獨提供）； ☆STL文件，包括二進制和ASCII格式； ☆C-Mold網格文件（*.fem, 將單元網格轉換為RTM-Worx面模型）； ☆SEPRAN網格文件（*. msh），包括連接單元； ☆全面支持7模型數據文件（.pi7）。 2.快速有限元網格劃分技術 RTM-Worx應用有限元法仿真分析樹脂注塑過程，該軟件能夠快速自動地將幾何模型劃分為有限元網格，其中導流槽劃分為一維單元，模型的平面結構被劃分為二維三角元，在P4電腦中幾秒鐘就可以劃分出上萬個三角元。單元網格的劃分密度除了可以由最大單元尺寸、最小單元尺寸和控制點密度等參數控制之外，RTM-Worx還提供如下有限元網格工具： ☆Coarse mesh：稀疏網格，生成盡可能少的網格數目，主要用于粗略分析； ☆Uniform mesh：等大小網格，生成所有網格的尺寸幾近相等； ☆10% of model：最大網格尺寸為包裹整個幾何模型圓球半徑的10%； ☆Double minimum size：將最小單元尺寸增加一倍； ☆Halve maximum size：將最大單元尺寸縮小一倍。 通過調整上述各個參數，加之RTM-Worx計算速度相當迅速，使用者方便地修改有限元單元尺寸以便調整計算精度。
圖2 RTM-Worx有限元網格劃分 3.專業的材料和工藝參數設置 RTM-Worx是專門用于樹脂模注的仿真軟件，因此需要定義材料參數和工藝參數。在RTM-Worx中，不需要單獨定義增強材料參數，只需在平面單元屬性中定義厚度、孔隙率、滲透率、纖維方向等參數即可，厚度為零則表示此區域無需注塑樹脂，除厚度外不定義其他參數則表示該區域內為空腔。樹脂參數只需一個，即樹脂粘度。RTM-Worx能夠自動生成優化的典型注膠和出膠口，使用者只需稍微改動就能得到滿意的結果。用戶也可以在任何一個幾何控制點上設置注射口或溢料口，設置注射口時同時設置注射壓力或樹脂流量。RTM-Worx還提供了根據模腔填充百分率來控制注射口和溢料口開閉的功能。這樣可以非常好的模擬多注射口、多溢料口的填充過程。 4.精確快速的計算能力 RTM-Worx采用基于有限元方法對RTM和CVI工藝進行仿真分析。該方法綜合了有限元分析和體積包絡計算，每一個時間步長中都會實時計算各個節點的壓強和樹脂流動速度，同時跟蹤樹脂流動的前峰，計算其流動趨勢。該算法具有快速穩定，計算精確的特點。提高網格密度能夠改善模型的仿真分析精度，但一般的模型只需劃分不到1000個單元就能得到滿意的計算結果（誤差一般在1%以內），而這樣規模的單元模型的計算在不到一分鐘的時間里就可以完成。 5.強大的后處理功能 在RTM-Worx中可以組合運用云紋圖、等值線圖、向量圖以及數值標注法來顯示模型的屬性參數，以便對模型進行校核。對于仿真計算生成的大量數據結果，RTM-Worx也能夠任意組合應用這些圖形顯示方式和直接標注數值等方法將計算結果直觀、清晰地顯示出來。 
圖3 圖形化結果綜合顯示 在圖3中，云紋圖用來顯示結構的不同厚度，矢量圖用來表示樹脂流動方向，等值線用來表示樹脂填充時間。
四、應用實例 目前，RTM-Worx已在世界各地被廣泛應用于航空，風力發電機，航海，軍工，游艇，材料加工以及建筑等各個行業的復合材料結構設計制造領域。
a）NH90直升機起落架RTM工藝成型仿真 
b）復合材料飛機翼盒RTM工藝成型仿真 
c）C55賽艇CVI工藝成型仿真 
d）54米長的風力發電機葉片成型仿真 圖4 RTM-Worx在復合材料領域被廣泛采用
五、總結 使用RTM-Worx進行樹脂模注仿真分析，能夠輕松、合理地確定RTM和CVI模具中的導流槽、注射口和溢料口，從而大大提高模具設計的效率和質量，降低開發成本。還可以估算注膠時間，評估工藝參數影響，確定工藝窗口，通過進行大量不同狀況下的仿真分析，輔之以極少量的試驗就可以得到高性能的產品。
一、RTM-Worx的特點 RTM-Worx仿真軟件具有如下特點： ☆完全支持各向異性材料； ☆快速模擬樹脂傳輸流動路徑； ☆成熟的預處理和后處理系統； ☆兼容STL, DXF以及PATRAN格式輸入文件； ☆考慮織物材料的MSC/Patran層和板模塊的交互界面； ☆支持非等溫反應擴展； ☆穩定精確快速的算法； ☆內置分級文檔系統； ☆支持國際單位制和英制單位體系； ☆支持任意向量（速度、滲透性）、圖層和輪廓線圖（流動前沿，壓力，各種性能等等）的聯合顯示； ☆培訓時間短。
二、用戶界面 RTM-Worx采用基于強大的OpenGL庫的三維圖形顯示技術，其GUI界面如圖1所示，模型顯示區的左邊是一個控制面板，其上下各有一個工具條，這上面分布有建模和分析計算所需的全部菜單和按鈕，使得建模操作更加直觀和方便。
圖1 RTM-Worx圖形化用戶界面 三、 RTM-Worx功能介紹 RTM-Worx是一種基于有限元方法來計算樹脂在多孔介質中的流動方程，進而對RTM和CVI工藝進行仿真分析的軟件。該軟件以綜合了有限元分析和體積包絡計算的算法為核心，該算法快速穩定、功能強大、計算精確，能夠確保在很短的時間里為用戶提供準確的計算結果。 該軟件還為用戶提供了以模擬目標為中心的直觀的用戶界面和方便快捷的預處理和后處理系統。RTM-Worx直觀易用，適合那些不熟悉有限元原理但精通掌握樹脂模注工藝的工程師對該工藝進行局部或全部過程優化，使用者僅需很短時間的培訓和少量技術支持就能充分掌握，被公認為是樹脂模注工藝仿真領域內性價比最高的仿真分析軟件產品。 下面主要從幾何建模、有限元劃分、分析計算功能等幾個方面對RTM-Worx進行簡要介紹。 1.幾何建模功能 RTM-Worx擁有適用于數值仿真分析的三維空間幾何建模工具，用戶可以輕易建立或修改由控制點、連接控制點的線和由線包圍的面組成的三維空間幾何模型。在RTM-Worx中，三維立體結構以其對稱面來描述，在對稱面上除了具有幾何結構的厚度屬性外，還可以設置與仿真分析密切相關的纖維方向、纖維體積含量等屬性。 RTM-Worx也可以直接從其他建模應用軟件中直接導入現成的模型數據，目前這項功能支持的文件格式有： ☆AutoCAD DXF；包括二維和三維模型文件，最高支持到其r14版； ☆PATRAN Neutral格式文件（將單元網格轉換為RTM-Worx面模型）； ☆PATRAN層壓板鋪層文件（單獨提供）； ☆STL文件，包括二進制和ASCII格式； ☆C-Mold網格文件（*.fem, 將單元網格轉換為RTM-Worx面模型）； ☆SEPRAN網格文件（*. msh），包括連接單元； ☆全面支持7模型數據文件（.pi7）。 2.快速有限元網格劃分技術 RTM-Worx應用有限元法仿真分析樹脂注塑過程，該軟件能夠快速自動地將幾何模型劃分為有限元網格，其中導流槽劃分為一維單元，模型的平面結構被劃分為二維三角元，在P4電腦中幾秒鐘就可以劃分出上萬個三角元。單元網格的劃分密度除了可以由最大單元尺寸、最小單元尺寸和控制點密度等參數控制之外，RTM-Worx還提供如下有限元網格工具： ☆Coarse mesh：稀疏網格，生成盡可能少的網格數目，主要用于粗略分析； ☆Uniform mesh：等大小網格，生成所有網格的尺寸幾近相等； ☆10% of model：最大網格尺寸為包裹整個幾何模型圓球半徑的10%； ☆Double minimum size：將最小單元尺寸增加一倍； ☆Halve maximum size：將最大單元尺寸縮小一倍。 通過調整上述各個參數，加之RTM-Worx計算速度相當迅速，使用者方便地修改有限元單元尺寸以便調整計算精度。
圖2 RTM-Worx有限元網格劃分 3.專業的材料和工藝參數設置 RTM-Worx是專門用于樹脂模注的仿真軟件，因此需要定義材料參數和工藝參數。在RTM-Worx中，不需要單獨定義增強材料參數，只需在平面單元屬性中定義厚度、孔隙率、滲透率、纖維方向等參數即可，厚度為零則表示此區域無需注塑樹脂，除厚度外不定義其他參數則表示該區域內為空腔。樹脂參數只需一個，即樹脂粘度。RTM-Worx能夠自動生成優化的典型注膠和出膠口，使用者只需稍微改動就能得到滿意的結果。用戶也可以在任何一個幾何控制點上設置注射口或溢料口，設置注射口時同時設置注射壓力或樹脂流量。RTM-Worx還提供了根據模腔填充百分率來控制注射口和溢料口開閉的功能。這樣可以非常好的模擬多注射口、多溢料口的填充過程。 4.精確快速的計算能力 RTM-Worx采用基于有限元方法對RTM和CVI工藝進行仿真分析。該方法綜合了有限元分析和體積包絡計算，每一個時間步長中都會實時計算各個節點的壓強和樹脂流動速度，同時跟蹤樹脂流動的前峰，計算其流動趨勢。該算法具有快速穩定，計算精確的特點。提高網格密度能夠改善模型的仿真分析精度，但一般的模型只需劃分不到1000個單元就能得到滿意的計算結果（誤差一般在1%以內），而這樣規模的單元模型的計算在不到一分鐘的時間里就可以完成。 5.強大的后處理功能 在RTM-Worx中可以組合運用云紋圖、等值線圖、向量圖以及數值標注法來顯示模型的屬性參數，以便對模型進行校核。對于仿真計算生成的大量數據結果，RTM-Worx也能夠任意組合應用這些圖形顯示方式和直接標注數值等方法將計算結果直觀、清晰地顯示出來。 圖3 圖形化結果綜合顯示 在圖3中，云紋圖用來顯示結構的不同厚度，矢量圖用來表示樹脂流動方向，等值線用來表示樹脂填充時間。 四、應用實例 目前，RTM-Worx已在世界各地被廣泛應用于航空，風力發電機，航海，軍工，游艇，材料加工以及建筑等各個行業的復合材料結構設計制造領域。
a）NH90直升機起落架RTM工藝成型仿真 b）復合材料飛機翼盒RTM工藝成型仿真 c）C55賽艇CVI工藝成型仿真 d）54米長的風力發電機葉片成型仿真 圖4 RTM-Worx在復合材料領域被廣泛采用 五、總結 使用RTM-Worx進行樹脂模注仿真分析，能夠輕松、合理地確定RTM和CVI模具中的導流槽、注射口和溢料口，從而大大提高模具設計的效率和質量，降低開發成本。還可以估算注膠時間，評估工藝參數影響，確定工藝窗口，通過進行大量不同狀況下的仿真分析，輔之以極少量的試驗就可以得到高性能的產品。
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