復(fù)合材料帽形梁RTM工藝仿真解決方案

關(guān)鍵詞：RTM；固化變形；有限元分析；ESI

摘要：纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性和耐腐蝕性好以及便于整體成型等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于航空航天、建筑、汽車、艦船、體育器材等領(lǐng)域。復(fù)合材料制品的性能很大程度上依賴于其制造工藝。樹(shù)脂傳遞模塑（Resin Transfer Molding, RTM）因其具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的主要制備技術(shù)之一。本文針對(duì)帽形梁，采用ESI的復(fù)合材料RTM工藝分析軟件對(duì)其進(jìn)行RTM工藝仿真，預(yù)測(cè)其成型性能、填充過(guò)程、固化過(guò)程以及固化變形量，從而對(duì)工藝方案改進(jìn)、模具修改提供依據(jù)。結(jié)果表明，ESI公司的RTM工藝解決方案可以很好的描述RTM工藝過(guò)程，包括預(yù)成型體的鋪覆過(guò)程，樹(shù)脂的流動(dòng)過(guò)程、樹(shù)脂的固化過(guò)程、復(fù)合材料制件的固化變形。

1 引言

樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比剛度，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為飛機(jī)、汽車、機(jī)械、電子產(chǎn)品的重要結(jié)構(gòu)材料之一，并且使用比例逐年增加。比如，波音787復(fù)合材料用量高達(dá)50%，空客A350XWB復(fù)合材料用量高達(dá)53%，BMW i3復(fù)合材料用量高達(dá)49.41%，西門子生產(chǎn)出75米長(zhǎng)的碳纖維葉片等等。隨著黑車身BMW i3的上市以及即將上市的BMW i8的推出，汽車行業(yè)成為復(fù)合材料市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

　　樹(shù)脂傳遞模塑技術(shù)(Resin Transfer Molding, RTM)是一種以低壓、密閉容器制造的復(fù)合材料生產(chǎn)方法，先將纖維、增強(qiáng)材料等放置于模具中，密閉之后以低壓注入樹(shù)脂，等樹(shù)脂反應(yīng)硬化后，打開(kāi)模具將成品取出。RTM成型工藝包括傳統(tǒng)的樹(shù)脂傳遞模塑、真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑、高壓RTM、普通壓縮RTM、高壓注射RTM、高壓壓縮RTM等等。RTM提供了一種簡(jiǎn)單且低成本的方式制作連續(xù)纖維增強(qiáng)的高分支復(fù)合材料，非常適合于形狀復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件，目前在汽車工業(yè)、航空航天、國(guó)防工業(yè)、機(jī)械設(shè)備、電子產(chǎn)品上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。包括Audi R8 Spyder、BMW M6、BMW Project I CityCar中底盤件、側(cè)圍、前后保險(xiǎn)杠、頂蓋的生產(chǎn)；AIRBUS機(jī)翼后翼梁，DAHER復(fù)合材料翼盒，LATECOERE復(fù)合材料機(jī)艙門；西門子碳纖維復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片；意大利Toror公司復(fù)合材料帆船；以及防彈衣、橋體、壓力罐、坦克零件、體育用品等等。

　　然而，這些工藝技術(shù)需要在生產(chǎn)之前設(shè)計(jì)、加工出合適的模具設(shè)備。如何在較低的成本和周期下設(shè)計(jì)出既能滿足生產(chǎn)工藝需要，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量要求的模具一直是業(yè)界積極探討的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的方法是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試制，不僅耗時(shí)耗力，而且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)的需要。在模具設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行仿真模擬，是提高模具開(kāi)發(fā)效率，降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑之一。

2 RTM工藝仿真解決方案

ESI集團(tuán)作為虛擬試驗(yàn)測(cè)試的先鋒，能夠提供一套覆蓋整個(gè)復(fù)合材料流程的虛擬解決方案，它包括設(shè)計(jì)和生產(chǎn)領(lǐng)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬。主要包含熱壓罐工藝仿真解決方案，RTM工藝仿真解決方案，復(fù)合材料力學(xué)性能分析。具體流程如圖1所示。

圖1 ESI 復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造一體化解決方案

針對(duì)RTM工藝，ESI擁有一套完整的仿真解決方案，包括在纖維布的鋪覆分析（PAM-FORM非金屬材料成型工藝軟件），復(fù)合材料RTM填充分析、固化分析（PAM-RTM復(fù)合材料液態(tài)模塑成型分析軟件）、復(fù)合材料固化變形分析（PAM-DISTORTION復(fù)合材料脫模變形分析軟件）。其中纖維鋪覆過(guò)程產(chǎn)生的纖維方向的變化對(duì)RTM填充過(guò)程影響非常大，可以將在PAM-FORM軟件里得到的纖維剪切角導(dǎo)入到PAM-RTM軟件中，用于調(diào)整纖維方向的變化對(duì)滲透率的影響。在PAM-RTM軟件里計(jì)算得到的固化結(jié)果之后，將其導(dǎo)入PAM-DISTORTION軟件里，進(jìn)行該制件的固化變形分析。具體流程如圖2所示。

圖2 ESI RTM工藝仿真解決方案

　　對(duì)復(fù)合材料RTM制件進(jìn)行工藝仿真，從而預(yù)測(cè)纖維鋪覆過(guò)程中的褶皺、橋接、纖維剪切角、厚度的變化以及優(yōu)化的平面圖；協(xié)助選擇最佳的LCM工藝和參數(shù)；選擇注射口和氣孔，防止干點(diǎn)；計(jì)算注射過(guò)程中的壓力分布；計(jì)算流體前端的速度；預(yù)測(cè)與優(yōu)化充填和固化時(shí)間；協(xié)助新模具開(kāi)發(fā)和改進(jìn)現(xiàn)有模具，降低RTM工藝模具的成本；預(yù)測(cè)制件的固化變形、殘余應(yīng)力[1]。

3 理論基礎(chǔ)

RTM工藝過(guò)程涉及到干纖維布的鋪放、樹(shù)脂的流動(dòng)、溫度的變化、樹(shù)脂的固化以及制件的脫模變形。本文采用粘彈性本構(gòu)方程描述纖維布鋪覆過(guò)程；采用達(dá)西定律描述樹(shù)脂在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)現(xiàn)象；采用傳熱模型描述模具和制件的熱傳導(dǎo)、制件的對(duì)流換熱、熱生成、表面熱量的損失等現(xiàn)象；采用固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程描述樹(shù)脂的固化反應(yīng)；采用殘余應(yīng)力模型描述制件的脫模變形過(guò)程。

3.1粘彈性本構(gòu)方程

　　如圖3所示，本文采用粘彈性本構(gòu)方程描述纖維布鋪覆過(guò)程。纖維布鋪覆過(guò)程由于纖維變形所產(chǎn)生的應(yīng)力由三部分組成：用于保持計(jì)算穩(wěn)定性的彈性的“parent sheet”，熱粘彈性基質(zhì)，線彈性的纖維。

圖3 預(yù)成型模擬的本構(gòu)方程示意圖

3.2達(dá)西定律

　　RTM成型中樹(shù)脂的充填過(guò)程可被視為流體在多孔介質(zhì)中的滲流過(guò)程，因此，樹(shù)脂在纖維預(yù)制件中的流動(dòng)遵循牛頓流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)定律Darcy定律。通過(guò)Darcy定律將流體速度與驅(qū)動(dòng)壓力梯度、滲透率和液體黏度關(guān)聯(lián)起來(lái)描述樹(shù)脂在纖維預(yù)制件中的流動(dòng)，Darcy定律如公式（1）所示。

　　其中， V 為速度矢量，K 為纖維預(yù)制件滲透率張量，為樹(shù)脂的粘度系數(shù)， 為壓力梯度公式。滲透率表征了流體流過(guò)多孔介質(zhì)的難易程度，滲透率值越大，則表示液體通過(guò)多孔介質(zhì)遇到的阻力就越小。可以采用單向流模具或徑向流模具測(cè)定面內(nèi)滲透率[2,3]。

3.3傳熱模型

　　對(duì)于非等溫RTM填充過(guò)程以及樹(shù)脂固化過(guò)程，需要考慮溫度場(chǎng)對(duì)填充和固化的影響。本文采用傳熱模型描述制件和模具的溫度場(chǎng)情況，具體如公式（2）所示。

　　式中，T 為絕對(duì)溫度，和 分別為復(fù)合材料的等效密度、比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)。上式右邊的最后一項(xiàng)是固化反應(yīng)熱項(xiàng)， 為固化反應(yīng)完成時(shí)樹(shù)脂放出的總熱量。 為樹(shù)脂的瞬時(shí)固化率，也就是固化反應(yīng)速率。 α 為樹(shù)脂的固化度，表征方法為t 時(shí)刻放出的熱量占總的放熱量的比例。

3.4固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

　　目前，關(guān)于樹(shù)脂固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究非常普遍，主要有兩種方法：宏觀尺度上的唯像模型和微觀尺度上的機(jī)理模型。唯像模型著重于總體反應(yīng)，用一個(gè)反應(yīng)代表整個(gè)過(guò)程；機(jī)理模型考慮整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。基于固化反應(yīng)的復(fù)雜性，用機(jī)理模型描述固化反應(yīng)非常困難。從工程應(yīng)用角度而言，唯像模型由于其簡(jiǎn)易實(shí)用性被廣泛用于固化過(guò)程的仿真模擬過(guò)程中[4,5]。

唯象模型的普遍形式如公式（3）所示：

　　其中， 為反應(yīng)速率函數(shù)， 為固化度函數(shù)。

3.5殘余應(yīng)力模型

　　復(fù)合材料發(fā)生固化變形的原因可以分為三類：復(fù)合材料各向異性的熱膨脹系數(shù)造成鋪層后各個(gè)方向熱膨脹不匹配，從而引起的變形，大約占整個(gè)變形比例的55%；樹(shù)脂固化反應(yīng)引起的體積收縮造成的變形大約占整個(gè)變形比例的35%；由模具-制件相互作用導(dǎo)致的變形大約占整個(gè)變形比例的10%[6]。

　　考慮了溫度和固化影響的殘余應(yīng)力模型如公式（4）所示[7]。

　　其中為應(yīng)力分量，為總應(yīng)變，為熱化學(xué)應(yīng)變，為松弛模量或材料剛度矩陣。其中，熱化學(xué)應(yīng)變由熱應(yīng)變和化學(xué)應(yīng)變組成。

4 RTM工藝仿真解決方案

4.1纖維鋪覆過(guò)程模擬

PAM-FORM是一個(gè)專用于模擬干纖維、熱塑性預(yù)浸料或熱固性預(yù)浸料預(yù)成型過(guò)程的仿真軟件。本文采用PAM-FORM模擬干纖維布預(yù)成型過(guò)程，預(yù)測(cè)纖維是否發(fā)生褶皺、纖維剪切變形。纖維布發(fā)生剪切變形后，其滲透率同樣發(fā)生了變化。本文利用在PAM-FORM里計(jì)算得到的剪切角結(jié)果，將其作為RTM填充過(guò)程的前提條件，從而計(jì)算其對(duì)滲透率的影響、對(duì)RTM填充過(guò)程的影響。

　　如圖4所示，本文對(duì)如下所示帽形梁進(jìn)行沖壓模擬。本算例中統(tǒng)一單位制為mm、kg、ms。模具、沖頭、夾緊系統(tǒng)均為剛性體。對(duì)模具6個(gè)方向自由度（UX UY UZ RX RY RZ）進(jìn)行約束；對(duì)沖頭5個(gè)方向自由度（UX UY RX RY RZ）進(jìn)行約束，設(shè)置沖頭-Z方向的速度大小為3m/s；對(duì)夾緊系統(tǒng)5個(gè)方向自由度（UX UY RX RY RZ）進(jìn)行約束，對(duì)其給定一個(gè)+Z方向約束力，力的大小為10KN。此外，定義沖頭、模具、夾緊系統(tǒng)各自對(duì)單層板的接觸，摩擦系數(shù)定義為0.3。本文四層單層板都采用同一種纖維布，鋪層角度為（-45/45/45/-45），單層板厚0.25mm。

圖4 層合板沖壓模擬建模

　　層合板沖壓后，每個(gè)單層板的厚度發(fā)生變化，沖壓成型后的厚度云圖如圖5所示。由圖5可知，層合板沖壓后，纖維發(fā)生變形，帽形梁兩端和中間拐角處厚度最厚。圖6展示了沖壓后四層單層板的剪切角云圖，從圖中可知，帽形梁兩端和中間拐角處纖維發(fā)生變形最嚴(yán)重。從剪切角和厚度云圖可見(jiàn)纖維的剪切變形導(dǎo)致帽形梁局部厚度增加。

圖5 層合板沖壓后每層的厚度云圖

圖6 層合板沖壓后每層的剪切角云圖

　　本算例中，將帽形梁的鋪覆計(jì)算結(jié)果保存為DSY格式，用于RTM填充過(guò)程仿真模擬中。

4.2 RTM填充過(guò)程模 擬
　　PAM-RTM軟件是專業(yè)的RTM過(guò)程模擬軟件，能方便準(zhǔn)確地模擬RTM過(guò)程中樹(shù)脂的流動(dòng)、固化、速度、壓力、溫度等結(jié)果，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)，降低設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期和費(fèi)用，已成為工業(yè)界廣泛使用的RTM設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具。本文采用PAM-RTM軟件模擬帽形梁的RTM填充過(guò)程，采用3D模型描述帽形梁，預(yù)測(cè)其填充過(guò)程，填充時(shí)間，壓力分布等。本文采用某碳纖維布，當(dāng)纖維未發(fā)生剪切變形時(shí)（即纖維剪切角為零），纖維體積分?jǐn)?shù)為60%，三個(gè)方向滲透率參數(shù)都為1 e-11 m^2，采用的樹(shù)脂粘度為0.1 Pa.s，注膠口樹(shù)脂流速為1e-6 m/s。

　　使用2.5D模型能很好的描述樹(shù)脂在面內(nèi)的流動(dòng)趨勢(shì)，但是無(wú)法描述樹(shù)脂在厚度方向的流動(dòng)情況。模擬鑲嵌件、復(fù)雜的厚制件層合板的RTM填充過(guò)程必須得考慮樹(shù)脂在厚度方向的流動(dòng)情況，特別是對(duì)于風(fēng)能行業(yè)而言。PAM-RTM軟件允許用戶進(jìn)行3D建模。本小節(jié)對(duì)帽形梁進(jìn)行3D建模，模擬樹(shù)脂在面內(nèi)以及厚度方向的流動(dòng)情況。
　　對(duì)帽形梁進(jìn)行3D建模，每個(gè)單層板建立一個(gè)區(qū)域，如圖7（a）所示。本小節(jié)采用4.1小節(jié)結(jié)果，利用PAM-RTM軟件中導(dǎo)入PAM-FORM鋪覆結(jié)果的接口，將纖維布變形結(jié)果導(dǎo)入PAM-RTM軟件中。將PAM-FORM的鋪覆模擬結(jié)果映射到PAM-RTM軟件中，得到的剪切角云圖如圖7（b）所示。然后根據(jù)此結(jié)果，通過(guò)各向同性纖維布模型計(jì)算帽形梁的局部孔隙率、局部滲透率，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。圖8（a）顯示了纖維鋪覆變形后的局部孔隙率，可看出帽形梁兩端和拐角處孔隙率較低，也就是說(shuō)此處纖維體積分?jǐn)?shù)較高。圖8（b）、（c）顯示了面內(nèi)局部滲透率K1和K2云圖，圖（c）顯示了厚度方向的局部滲透率K3云圖。

圖7 帽形梁3D建模及局部剪切角云圖

圖8 帽形梁的局部孔隙率、局部滲透率云圖

　　圖9展示的是采用有限元方法計(jì)算得到的樹(shù)脂填充到30s時(shí)的壓力分布云圖和填充時(shí)間云圖，從圖中可看出，在樹(shù)脂開(kāi)始注射時(shí)，流動(dòng)前沿以與邊緣線平行的形狀推進(jìn)，隨著注入時(shí)間增加，當(dāng)樹(shù)脂遇到拐角后流動(dòng)前沿形狀逐漸過(guò)渡成圓弧狀。這是由于制件的截面變寬，且拐角處纖維剪切變形大造成的流動(dòng)前沿發(fā)生變化。

圖9 RTM等溫填充模擬結(jié)果

4.3 RTM固化過(guò)程模擬

　　復(fù)合材料固化過(guò)程中涉及到溫度場(chǎng)與固化度場(chǎng)，本文采用PAM-RTM軟件的固化模塊模擬樹(shù)脂的固化過(guò)程，本模塊對(duì)溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)進(jìn)行了全耦合求解。本文采用環(huán)氧樹(shù)脂，樹(shù)脂密度為1096kg/m3，導(dǎo)熱率為0.25 W/m.K，比熱為1.1E3 J/Kg.K，焓值為5E5 J/Kg，其中焓表征每單位質(zhì)量樹(shù)脂發(fā)生完全固化反應(yīng)所生成的熱量。本文采用修正的Kamal-Sourour方程描述樹(shù)脂的固化反應(yīng)過(guò)程。固化度與溫度、時(shí)間的關(guān)系如圖10所示，從圖中可以看出，同一時(shí)間內(nèi)，隨著溫度的升高，固化度增加；同一溫度下，隨著時(shí)間的增加，固化度增加。

圖10 固化度、溫度、時(shí)間關(guān)系曲線

　　由于帽形梁薄且等厚，所以本文直接對(duì)整個(gè)制件賦予溫度曲線。圖11展示了帽形梁上某一點(diǎn)固化過(guò)程中固化度、固化反應(yīng)速率、溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖中溫度曲線可以看出初始溫度為308K，保溫1800s，然后900s內(nèi)升溫到353K，保溫4500s，最后在3600s內(nèi)降溫至室溫。從圖11固化反應(yīng)速率曲線可以看出，從2000s開(kāi)始，固化反應(yīng)加速，到達(dá)3000s時(shí)，固化反應(yīng)速率最大。從圖11固化度曲線可以看出，隨著溫度和時(shí)間的增加，固化度增大，最后固化至0.874。在此工藝條件下，樹(shù)脂并沒(méi)有完全固化，可以采用后固化工藝來(lái)保證樹(shù)脂完全固化。

圖11 某點(diǎn)固化度、溫度、固化反應(yīng)速率—時(shí)間曲線

4.4 RTM工件固化變形模擬

　　本文在4.3小節(jié)對(duì)帽形梁的固化過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到的固化度、溫度場(chǎng)結(jié)果文件將用于此小節(jié)的固化變形分析中。模擬固化變形有兩種方法：一是使用單層板的材料參數(shù)，另外一種是使用層合板的材料參數(shù)。對(duì)于第一種方法，可以直接對(duì)單層板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征；也可以對(duì)UD布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征，然后利用纖維和樹(shù)脂各自的材料參數(shù)，通過(guò)細(xì)觀力學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算得到單層板的材料參數(shù)。對(duì)于第二種方法，可以對(duì)層合板直接進(jìn)行材料參數(shù)實(shí)驗(yàn)表征；也可以利用單層板的材料參數(shù)，根據(jù)3D層合板理論進(jìn)行計(jì)算得到層合板的材料參數(shù)。

　　固化變性分析涉及到溫度場(chǎng)、固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析，本文利用PAM-RTM軟件中的固化模塊進(jìn)行溫度場(chǎng)和固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的仿真分析，然后將其結(jié)果耦合到應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析中。單層板在玻璃態(tài)的各個(gè)性能參數(shù)如下，模量分別為2.62E10 Pa、2.62E10 Pa、1.01E10 Pa，泊松比分別為0.094、 0.46、 0.46，剪切模量分別為3E9 Pa、 2.9E9 Pa、 2.9E9 Pa，熱膨脹系數(shù)分別為 1.39E-5/K、 1.39E-5/K、 5.87E-5/K， 固化收縮系數(shù)分別為-0.0032、 -0.0032、 -0.019。單層板在橡膠態(tài)的各個(gè)性能參數(shù)如下，模量分別為2.14E10 Pa、2.14E10 Pa、2.7E10 Pa，泊松比分別為0.021、0.83、 0.83，剪切模量分別為3.3E7 Pa、3.3E7 Pa、3.3E7 Pa，熱膨脹系數(shù)分別為 5.4E-6/K、 5.4E-6/K、 2.29E-4/K， 固化收縮系數(shù)分別為-7.4E-5、-7.4E-5、-0.032。

　　樹(shù)脂基復(fù)合材料在固化過(guò)程中經(jīng)歷三個(gè)階段，分別是液態(tài)、橡膠態(tài)、玻璃態(tài)。當(dāng)固化度小于凝膠點(diǎn)時(shí)，樹(shù)脂處于液態(tài)，此時(shí)不會(huì)存在應(yīng)力；當(dāng)固化度大于凝膠點(diǎn)且溫度大于玻璃化溫度時(shí)，樹(shù)脂處于橡膠態(tài)，此時(shí)制件能保存一定量的應(yīng)力；當(dāng)溫度小于玻璃化溫度時(shí)，樹(shù)脂處于玻璃態(tài)，此時(shí)制件易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。圖12展示的是某一單元上溫度、固化度、玻璃化溫度隨時(shí)間變化的曲線。從圖中可以看出，從0s到3000s，固化度小于凝膠點(diǎn)，故而此階段屬于液態(tài)；從3000s到6000s，固化度大于凝膠點(diǎn)且溫度大于玻璃化溫度，故而此階段屬于橡膠態(tài)；從6000s到10800s，溫度小于玻璃化溫度，故而此階段屬于玻璃態(tài)。

圖12 某一單元的溫度-固化度-玻璃化溫度時(shí)間曲線圖

　　由第3小節(jié)可知，復(fù)合材料制件發(fā)生固化變形是由熱膨脹、樹(shù)脂固化反應(yīng)發(fā)生化學(xué)收縮、模具制約導(dǎo)致的。如圖13（a）所示，本算例采用準(zhǔn)靜態(tài)約束，不考慮模具對(duì)制件變形的影響。具體約束情況為：在制件上取三個(gè)點(diǎn)A、B、C，利用這三個(gè)點(diǎn)建立局部坐標(biāo)系1；選擇點(diǎn)A，約束其在局部坐標(biāo)系1下的X、Y、Z方向自由度；選擇點(diǎn)B，約束其在局部坐標(biāo)系1下的Y、Z方向自由度；選擇點(diǎn)C，約束其在局部坐標(biāo)系1下的Z方向自由度。如圖13（b）所示，帽形梁發(fā)生固化反應(yīng)后，最大位移量為0.00234m。圖中，黑色外框?yàn)橹萍窗l(fā)生變形時(shí)的初始形狀。PAM-Distortion里計(jì)算所得的變形結(jié)果可以輸出為向量文件，進(jìn)而導(dǎo)入CATIA中用于模具修正和工件設(shè)計(jì)。

圖13 帽形梁固化變形仿真

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結(jié)論

　　本文以帽形梁為例，介紹復(fù)合材料RTM工藝仿真解決方案。第一步，本文首先采用PAM-FORM軟件對(duì)帽形梁進(jìn)行鋪覆仿真，計(jì)算得到干纖維布變形量。第二步，將纖維剪切角導(dǎo)入到PAM-RTM軟件中，并計(jì)算出其對(duì)滲透率的影響，從而對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)前沿產(chǎn)生影響。第三步，本文在PAM-RTM軟件中對(duì)帽形梁進(jìn)行固化分析，計(jì)算得到固化度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。第四步，將固化分析得到的固化度場(chǎng)和溫度場(chǎng)映射到PAM-DISTORTION軟件中，并計(jì)算其對(duì)固化變形的影響。

　　ESI公司的RTM工藝解決方案可以很好的描述RTM工藝過(guò)程，包括預(yù)成型體的鋪覆過(guò)程，樹(shù)脂的流動(dòng)過(guò)程、樹(shù)脂的固化過(guò)程、復(fù)合材料制件的固化變形。根據(jù)PAM-FORM分析結(jié)果預(yù)測(cè)纖維鋪覆過(guò)程中的褶皺、橋接、纖維剪切角、厚度的變化以及優(yōu)化的平面圖。根據(jù)PAM-RTM分析結(jié)果協(xié)助選擇最佳的LCM工藝和參數(shù)；選擇注射口和氣孔，防止干點(diǎn)；計(jì)算注射過(guò)程中的壓力分布；計(jì)算流體前端的速度；預(yù)測(cè)與優(yōu)化充填和固化時(shí)間；根據(jù)PAM-DISTORTION分析結(jié)果預(yù)測(cè)制件的固化變形、殘余應(yīng)力。最終協(xié)助新模具開(kāi)發(fā)和改進(jìn)現(xiàn)有模具，降低RTM工藝模具的成本。
（來(lái)源：SAMPE）

參考文獻(xiàn)

[1] Chabin M. Manufacturing simulation suite for mass production of composite structural components[J]. SAMPE, 2013, 13(1):1-2.

[2] Chen Z R, Ye L, Lu M. Permeability predictions for woven fabric preforms[J]. Journal of Composite Materials, 2010, 44(13):1569–1586.

[3] Dong S H, He H D, Jia Y X, Wang C G, Jiao X J. A new structure-related model to predict the permeability of non-crimp fabric preform[J]. Journal of composite materials, 2013, 47(24):3053-3064.

[4] Wang X X, Wang C G, Jia Y X, Luo L, Li P. Cure-volume-temperature relationships of epoxy resin and graphite / epoxy composites[J]. Polymer, 2012, 53(19): 4152-4156.

[5] 王曉霞，王成國(guó)，賈玉璽，羅玲。熱固性樹(shù)脂固化動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化的新方法[J]。材料工程，2012，6：67-70.

[6] Svanberg J M, Holmberg J A. An experimental investigation on mechanisms for manufacturing induced shape distortions in homogeneous and balanced laminates[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2001, 32(6):827-838.

[7] Svanberg J M. Shape distortion of non-isothermally cured composite angle bracket[J]. Plastics, Rubber & Composites, 2002, 31(9):398-404.

作者

羅玲1，沈一晨2

1 中航伊薩（北京）科技發(fā)展有限公司

2 ESI Group Shanghai Representative Office

來(lái)源：ESI集團(tuán)