環(huán)氧樹脂固化過(guò)程模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：娃娃星星 創(chuàng)建時(shí)間：2020-11-11
環(huán)氧樹脂固化過(guò)程模擬的實(shí)例教程
維也納技術(shù)大學(xué)開發(fā)了一種特殊的環(huán)氧樹脂配方，可用于航空航天，造船和汽車制造中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，甚至用于水下翻新。這是通過(guò)用光照射樹脂的任何部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兔
幾秒鐘之內(nèi)，新材料就可以完全轉(zhuǎn)變。最初，材料是透明的，可以是液體或糊狀; 然后，當(dāng)用適當(dāng)?shù)墓庹丈渌娜魏尾糠謺r(shí)，整個(gè)樹脂開始凝固并呈現(xiàn)深色。TU Wien（維也納技術(shù)大學(xué)）已獲得專利的特殊環(huán)氧樹脂配方。現(xiàn)在，研究人員成功地在水下進(jìn)行了這一過(guò)程。這意味著新的環(huán)氧樹脂可用于迄今為止非常難以實(shí)施的工作，例如填充橋梁或水壩中的水下裂縫，或在正在進(jìn)行的操作期間修復(fù)管道。
作為進(jìn)一步的新穎性，該特殊配方可以與碳纖維和碳纖維墊組合使用。航空航天工程，風(fēng)力渦輪機(jī)，造船或汽車工業(yè)中的應(yīng)用有很多可能性 - 在每個(gè)需要將最高機(jī)械性能與輕量化設(shè)計(jì)相結(jié)合的領(lǐng)域。
環(huán)氧樹脂是工業(yè)領(lǐng)域中用于許多不同目的的標(biāo)準(zhǔn)材料，例如絕緣電子元件或固定機(jī)械部件。由Robert Liska教授（TU Wien應(yīng)用合成化學(xué)研究所）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了添加到普通環(huán)氧樹脂中的添加劑，以便調(diào)整其性能并通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)目標(biāo)固化。
“我們正在開發(fā)一種特殊化合物，其中光會(huì)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)”，Robert Liska解釋說(shuō)。“這可能是可見光的明亮閃光，但我們也有只能對(duì)紫外線發(fā)光的化合物。”
在光照射樹脂的點(diǎn)處，開始反應(yīng)以釋放熱量。這種熱量在其他地方傳播并引發(fā)化學(xué)級(jí)聯(lián)，直到所有樹脂都已固化。
“這種方法的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有必要像其他光固化材料一樣照亮整個(gè)樹脂”，Liska解釋說(shuō)。“用光照射樹脂的任何部分就足夠了。其余部分即使位于你想要填充的黑暗裂縫的深處也能治愈。“
工業(yè)部門的興趣
來(lái)自工業(yè)界的 合作伙伴公司已經(jīng)詢問(wèn)這種工藝是否也可以在“深色”填料或纖維存在下進(jìn)行，因?yàn)樽?em>固化環(huán)氧樹脂對(duì)于這些更困難的應(yīng)用中的一些非常有用。
展開 溫度循環(huán) Temperature Cycles
高低溫交替變化20-30°C會(huì)產(chǎn)生一個(gè)惡性循環(huán)過(guò)程，這也是樹脂結(jié)晶發(fā)生的最常見的原因。一旦體系溫度升高，分子鏈運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng)，使得液體環(huán)氧樹脂分子在“晶種”附近發(fā)生取向排列。
接著將該體系置于低溫環(huán)境，取向排列過(guò)程會(huì)加速進(jìn)行。結(jié)晶過(guò)程一旦啟動(dòng)，就會(huì)一直發(fā)生直到形成一塊固體。白天和晚上的溫差變化，會(huì)引發(fā)和加速結(jié)晶過(guò)程。這一過(guò)程發(fā)生速度極快，可能只是在裝卸或者生產(chǎn)車間放置的一小會(huì)兒。
解決方法 Solutions
基體樹脂和雙組份體系的結(jié)晶，只是帶來(lái)一些操作上的不便，但并不是一個(gè)難以克服的問(wèn)題。將體系在50-60°C下加熱數(shù)小時(shí)，就可以消除結(jié)晶。加熱時(shí)要確保所有晶體完全融化，否則任何一個(gè)微小的未融化晶體都可以作為“晶種”重新引發(fā)體系在幾天內(nèi)再次發(fā)生結(jié)晶。除了加熱要小心，還要對(duì)容器中的樹脂進(jìn)行攪動(dòng)，確保容器壁和底部的晶體融化，以及熱量在體系均勻分布。如果結(jié)晶再次發(fā)生，只需加熱，重復(fù)這一融化過(guò)程即可。單組份體系則不能加熱，因?yàn)榧訜峥赡軐?dǎo)致固化反應(yīng)發(fā)生，產(chǎn)品變質(zhì)。控制和監(jiān)測(cè)運(yùn)輸過(guò)程和儲(chǔ)存環(huán)境對(duì)減少溫差變化至關(guān)重要。良好的保管措施是另一個(gè)重要的因素，如確保使用后管子內(nèi)部，閥門，蓋子上都不能有樹脂殘留，防止在此形成結(jié)晶。盡管環(huán)氧配方師及最終用戶已經(jīng)高度重視預(yù)防樹脂結(jié)晶，但這一過(guò)程依然非常難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)及完全消除。如果結(jié)晶現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生，則有必要評(píng)估一些不易結(jié)晶的產(chǎn)品，以作為替代選擇。
展開 復(fù)合材料固化成型過(guò)程中，許多材料參數(shù)都是與溫度場(chǎng)及固化度相關(guān)的，因此模擬復(fù)合材料固化成型時(shí)首先需要知道溫度場(chǎng)和固化度的變化情況。
溫度和固化度這兩部分是相互耦合的，復(fù)合材料固化過(guò)程的熱傳導(dǎo)需要考慮固化放熱的影響
式中，ρc為復(fù)合材料密度；Cc為復(fù)合材料比熱容，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，t為時(shí)間；Q為熱生成率
式中，ρr為樹脂密度；Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)；Hr為樹脂放熱；α為固化度；固化反應(yīng)速率
其中
式中，K為自催化模型反應(yīng)速率常數(shù)；A為頻率因子；ΔE為活化能；R為理想氣體常數(shù)。
數(shù)值模擬過(guò)程中主要用到SDVINI、FILM、DISP、HETVAL及USDFLD子程序。
1) SDVINI和USDFLD子程序主要用來(lái)定義初始狀態(tài)變量，并且兩者可以互相替代。
2) FILM子程序用來(lái)定義熱傳導(dǎo)第三類邊界條件中的對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度。
3) DISP用來(lái)定義熱傳導(dǎo)第一類邊界條件，當(dāng)熱交換系數(shù)非常大時(shí)，DISP和FILM定義的邊界效果相近。
4) HETVAL用來(lái)定義材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，該程序是連接熱傳導(dǎo)和固化動(dòng)力學(xué)方程的關(guān)鍵。
使用的材料屬性見下表
仿真得到的固化度和溫度變化結(jié)果見下圖
[1]丁安心. 熱固性樹脂基復(fù)合材料固化變形數(shù)值模擬和理論研究[D].
[2]喬巍,姚衛(wèi)星,馬銘澤.復(fù)合材料殘余應(yīng)力和固化變形數(shù)值模擬及本構(gòu)模型評(píng)價(jià)[J].材料導(dǎo)報(bào),2019,33(24):4193-4198.
考慮粘彈性本構(gòu)的固化仿真http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1283755
大家有問(wèn)題可以私信或者聯(lián)系QQ1653004885
附件中為子程序和inp文件
展開 Poncin Yachts公司采用模擬軟件PAM-RTM，模擬帶加強(qiáng)纖維的樹脂注射和灌輸過(guò)程，優(yōu)化了公司的生產(chǎn)工藝
美國(guó)亞特蘭大，2006年船舶展（Boat Show 2006），法國(guó)巴黎，2006年1月11日：Poncin Yachts公司第一次受益于ESI集團(tuán)（ISIN FR0004110310）的PAM-RTM軟件技術(shù)。PAM-RTM軟件是一個(gè)注入式合成材料生產(chǎn)工藝的模擬軟件。Poncin Yachts公司通過(guò)與合成材料的專業(yè)公司進(jìn)行技術(shù)合作，將應(yīng)用工程使用在自己的工業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中，從而確立了在船舶制造業(yè)還從未見到過(guò)的生產(chǎn)模式。研究工作是由“東部塑料工業(yè)區(qū)”（P?le de Plasturgie de L’Est）完成的。該工業(yè)區(qū)廣泛采用了ESI集團(tuán)的加強(qiáng)纖維樹脂注入模擬技術(shù)。
的確，Poncin Yachts公司是法國(guó)游船業(yè)一個(gè)新的生產(chǎn)廠家，開發(fā)和生產(chǎn)九米到十五米的現(xiàn)代帆船系列，其自動(dòng)化的生產(chǎn)工具采用創(chuàng)新的生產(chǎn)工藝，具有很高的性能。這種工藝就是用真空注入和浸入合成材料的工藝，生產(chǎn)船殼和甲板。
采用ESI集團(tuán)的PAM-RTM軟件，該公司開發(fā)了新的系列工具，采用“閉合模具”技術(shù)，生產(chǎn)合成材料的器具。有了這種創(chuàng)新的技術(shù)，工件的質(zhì)量和表面的光潔度可以更好。同時(shí)采用真空注射和灌輸技術(shù)，可以保證樹脂在各個(gè)腔室里的均勻分布，使工件重量穩(wěn)定，強(qiáng)度大。所有的參數(shù)都通過(guò)與傳感器連接在一起的自動(dòng)控制機(jī)自動(dòng)管理，傳感器不斷地檢查溫度，壓力，流量等參數(shù)。
“閉合模具”由于采用了可以完全自動(dòng)化的生產(chǎn)工藝，在尊重和保護(hù)環(huán)境和人員方面具有很大的優(yōu)點(diǎn)。樹脂以加壓的方式注入，因此避免了人與有害產(chǎn)品接觸的機(jī)會(huì)。有害的有機(jī)合成物質(zhì)（COV）處在閉合的環(huán)境當(dāng)中，并在后期經(jīng)過(guò)處理，因此可以把有害氣體的排放量減少五到十個(gè)PPM，也就是比2007年將實(shí)行的歐洲標(biāo)準(zhǔn)低兩倍。
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環(huán)氧樹脂固化過(guò)程模擬的最新內(nèi)容
復(fù)合材料固化成型過(guò)程中，許多材料參數(shù)都是與溫度場(chǎng)及固化度相關(guān)的，因此模擬復(fù)合材料固化成型時(shí)首先需要知道溫度場(chǎng)和固化度的變化情況。
溫度和固化度這兩部分是相互耦合的，復(fù)合材料固化過(guò)程的熱傳導(dǎo)需要考慮固化放熱的影響
式中，ρc為復(fù)合材料密度；Cc為復(fù)合材料比熱容，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，t為時(shí)間；Q為熱生成率
式中，ρr為樹脂密度；Vf為纖維體積分?jǐn)?shù)；Hr為樹脂放熱；α為固化度
維也納技術(shù)大學(xué)開發(fā)了一種特殊的環(huán)氧樹脂配方，可用于航空航天，造船和汽車制造中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，甚至用于水下翻新。這是通過(guò)用光照射樹脂的任何部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兔
幾秒鐘之內(nèi)，新材料就可以完全轉(zhuǎn)變。最初，材料是透明的，可以是液體或糊狀; 然后，當(dāng)用適當(dāng)?shù)墓庹丈渌娜魏尾糠謺r(shí)，整個(gè)樹脂開始凝固并呈現(xiàn)深色。TU Wien（維也納技術(shù)大學(xué)）已獲得專利的特殊環(huán)氧樹脂配方。現(xiàn)在，研究人員成功地在水下進(jìn)行了這一過(guò)程
介紹 Introduction
在常溫條件下，液體雙酚A環(huán)氧樹脂(DGEBA，Digycidylether of Bis-phenol-A)和液體雙酚F環(huán)氧樹脂(DGEBF，Digycidylether of Bis-phenol-F) ，都是過(guò)冷液體(supercooled
liquid)。也就是說(shuō)，它們?cè)诔叵卤驹撌枪腆w，但通常在其凝固溫度下保持液體狀態(tài)。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，DGEBA
Poncin Yachts公司采用模擬軟件PAM-RTM，模擬帶加強(qiáng)纖維的樹脂注射和灌輸過(guò)程，優(yōu)化了公司的生產(chǎn)工藝
美國(guó)亞特蘭大，2006年船舶展（Boat Show 2006），法國(guó)巴黎，2006年1月11日：Poncin Yachts公司第一次受益于ESI集團(tuán)（ISIN FR0004110310）的PAM-RTM軟件技術(shù)。PAM-RTM軟件是一個(gè)注入式合成材料生產(chǎn)工藝的模擬軟件。Poncin
