纖維預(yù)制件滲透率的預(yù)測及其浸潤過程有限元模擬.pdf

1、先進樹脂基復(fù)合材料因其具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、可設(shè)計性強和可大面積整體成型等諸多優(yōu)點而成為航空航天領(lǐng)域不可或缺的重要戰(zhàn)略材料。然而，復(fù)合材料制造高成本限制了其進一步發(fā)展，為此低成本的樹脂傳遞模塑（ResinTransferMoulding，RTM）成型已成為航空工業(yè)的主流技術(shù)之一，但在其制品中經(jīng)常會出現(xiàn)干斑、孔隙等浸潤缺陷，這些缺陷會極大影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，而預(yù)制件滲透率的不均勻性是引起空隙或干斑的一個重要原因。纖維預(yù)

2、制件的滲透率描述了預(yù)制件對樹脂流動的阻礙程度，是RTM成型過程中樹脂流動的一個重要參數(shù)。滲透率作為預(yù)制件的關(guān)鍵性能之一，與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，由于它與預(yù)制件多層次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜相關(guān)性而使得滲透率的預(yù)測一直面臨著挑戰(zhàn);另外，樹脂在纖維中的充分浸潤流動是RTM復(fù)合材料制品性能的關(guān)鍵影響因素。因此，探討預(yù)制件滲透率與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性并對其精確預(yù)報，進而通過數(shù)值模擬預(yù)測RTM浸潤工藝過程是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。
　　本文建立非彎折織物(Non

3、-CrimpFabric，NCF)預(yù)制件無縫線和有縫線兩類單胞，針對纖維預(yù)制件具有雙級多孔的特性，在基于雙尺度多孔介質(zhì)的束內(nèi)/束間耦合流動基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬樹脂在預(yù)制件細微觀結(jié)構(gòu)中的浸潤耦合流動行為。采用Brinkman方程描述樹脂在纖維束內(nèi)孔隙的流動，采用Stokes方程描述樹脂在纖維束間區(qū)域的流動，建立在預(yù)制件束內(nèi)和束間樹脂耦合流動的數(shù)學(xué)模型，利用體積平均化理論，求解速度場和壓力場，通過Darcy定律開展NCF預(yù)制件面內(nèi)滲透率的預(yù)測。

4、探究了影響滲透率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，開展了不同纖維鋪層方式對NCF預(yù)制件面內(nèi)滲透率的影響研究，揭示了纖維預(yù)制件的多層次結(jié)構(gòu)參數(shù)對面內(nèi)滲透率的影響規(guī)律，在滲透率的預(yù)測方面取得了較大進展。對比了有縫線和無縫線兩種類型NCF單胞的滲透率大小，重點分析了纖維束形狀大?。òɡw維束寬度B、高度h和纖維束沿纖維方向截面橢圓長半軸c、束間距b）及纖維布不同鋪層方式等結(jié)構(gòu)因素對預(yù)制件面內(nèi)滲透率的影響。通過引入Morris全局靈敏度分析方法量化了纖維預(yù)制件結(jié)

5、構(gòu)參數(shù)對滲透率的影響程度，為纖維預(yù)制件結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。研究了纖維束在縫制分叉時等效直徑、縫線的尺寸和分布、縫線偏離中心距離等因素對纖維預(yù)制件面內(nèi)滲透率的影響。結(jié)果表明:沒有縫線的預(yù)制件單胞面內(nèi)滲透率大于有縫線的預(yù)制件滲透率。預(yù)制件滲透率隨著纖維束寬度的增加而降低，隨著纖維束的高度、纖維束截面邊沿橢圓弧的長半軸和纖維束間距的提高而提高。當纖維束寬增加1.2倍時，無縫線的單胞滲透率降低了約52％，而有縫線的單胞滲透率降低

6、了約54％;高度提高一倍時，對應(yīng)無縫線單胞滲透率增加了約2倍，而有縫線單胞滲透率增加了1.73倍;長半軸增加3.2倍，對應(yīng)無縫線單胞滲透率增加了30％，有縫線單胞滲透率增加了29％;纖維束間距增加4.7倍，對應(yīng)無縫線單胞滲透率增加了11.3倍，而有縫線單胞滲透率增加了14倍。預(yù)制件滲透率對于不同參數(shù)的靈敏度順序是:b＞h＞B＞c。預(yù)制件滲透率對纖維束間距是最為敏感的，對于纖維束截面邊沿橢圓弧的長半軸相對不敏感。NCF預(yù)制件因縫制時纖維束

7、的分叉阻礙了流體的滲流速度，當流道內(nèi)交叉束的等效直徑與纖維束間距離比是0.7時，纖維束分叉情況下滲透率比沒有分叉的預(yù)制件單胞滲透率降低約80％。預(yù)制件滲透率隨著縫線中心位置逐漸偏離流道中心略有增加，隨著縫線傾斜角度增加而略有降低。
　　基于預(yù)制件纖維束間流道的壓力降和其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，建立了纖維預(yù)制件面內(nèi)滲透率與其結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的解析模型;對于縫制的單胞，通過引入修正因子和縫線等效方法，建立了纖維預(yù)制件滲透率與關(guān)鍵參數(shù)的結(jié)構(gòu)相關(guān)性

8、解析模型。應(yīng)用該模型預(yù)測的滲透率與有限元計算結(jié)果進行對比，結(jié)果表明所提出的解析模型在一定范圍內(nèi)能夠精確預(yù)測纖維預(yù)制件面內(nèi)滲透率，從而實現(xiàn)了多層次結(jié)構(gòu)預(yù)制件滲透率的快速精確預(yù)測，為完善RTM成型充填理論、優(yōu)化工藝參數(shù)和降低成本起到重要作用。
　　針對北京航空材料研究院先進復(fù)合材料重點實驗室提出的“離位”增韌技術(shù)，揭示了增韌層對預(yù)制件滲透率的影響規(guī)律和機理，重點分析了增韌層的厚度和滲透率以及不同纖維鋪層角度對纖維預(yù)制件Z向滲透率的影響

9、。結(jié)果表明:纖維預(yù)制件Z向滲透率隨著增韌層厚度的增加而降低，隨著增韌層滲透率的增加而增加;[0]2鋪層的纖維預(yù)制件Z向等效滲透率遠大于其他鋪層角度的預(yù)制件滲透率，在[0/30]、[0/45]、[0/60]和[0/90]鋪層中，[0/45]鋪層預(yù)制件滲透率最大，[0/30]鋪層預(yù)制件滲透率最小。纖維體積分數(shù)、流道比表面積和流道分布結(jié)構(gòu)決定著滲透率的大小;所提出的數(shù)值模擬模型能夠精確預(yù)測Z向滲透率，作為Z向流動RTM成型模擬的關(guān)鍵參數(shù)，它的

10、精確預(yù)測對進一步RTM成型的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要指導(dǎo)。
　　針對樹脂在多尺度纖維預(yù)制件中的流動特點，引入了不飽和因子修正Darcy定律，建立了描述樹脂在纖維預(yù)制件中非穩(wěn)態(tài)流動的偏微分方程(PartialDifferentialEquation，PDE)，利用COMSOL軟件作為求解器求解RTM成型時樹脂流動的控制方程，研究了樹脂流動前沿演化規(guī)律，將其與解析解和實驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明該模型能夠精確預(yù)測樹脂在纖維預(yù)制件中的非穩(wěn)態(tài)流

11、動。針對“離位”增韌技術(shù)和Z-RTM成型技術(shù)，研究了RTM非穩(wěn)態(tài)浸潤過程注射口壓力與時間關(guān)系的曲線，并與實驗結(jié)果進行了對比。模擬了樹脂在層間未增韌和“離位”增韌纖維預(yù)制件束內(nèi)和束間的流動，實現(xiàn)了樹脂在纖維預(yù)制件細微觀層次浸潤的可視化。這種可視化結(jié)果為預(yù)測樹脂在預(yù)制件中的宏觀流動提供了重要補充并為實際工藝提供了一定指導(dǎo)作用。通過分析發(fā)現(xiàn)增韌層使得流動前鋒更加平滑，從而減少了成型制品的缺陷。研究了不同成型工藝參數(shù)（包括樹脂黏度、注射壓力和不