纖維預(yù)制件滲透率的預(yù)測(cè)及其浸潤(rùn)過(guò)程有限元模擬.pdf

1、先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和可大面積整體成型等諸多優(yōu)點(diǎn)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(jìn)一步發(fā)展，為此低成本的樹(shù)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(huì)出現(xiàn)干斑、孔隙等浸潤(rùn)缺陷，這些缺陷會(huì)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(gè)重要原因。纖維預(yù)

2、制件的滲透率描述了預(yù)制件對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)的阻礙程度，是RTM成型過(guò)程中樹(shù)脂流動(dòng)的一個(gè)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(cè)一直面臨著挑戰(zhàn);另外，樹(shù)脂在纖維中的充分浸潤(rùn)流動(dòng)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(duì)其精確預(yù)報(bào)，進(jìn)而通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)RTM浸潤(rùn)工藝過(guò)程是目前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本文建立非彎折織物(Non

3、-CrimpFabric，NCF)預(yù)制件無(wú)縫線(xiàn)和有縫線(xiàn)兩類(lèi)單胞，針對(duì)纖維預(yù)制件具有雙級(jí)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(dòng)基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬樹(shù)脂在預(yù)制件細(xì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)中的浸潤(rùn)耦合流動(dòng)行為。采用Brinkman方程描述樹(shù)脂在纖維束內(nèi)孔隙的流動(dòng)，采用Stokes方程描述樹(shù)脂在纖維束間區(qū)域的流動(dòng)，建立在預(yù)制件束內(nèi)和束間樹(shù)脂耦合流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，利用體積平均化理論，求解速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，通過(guò)Darcy定律開(kāi)展NCF預(yù)制件面內(nèi)滲透率的預(yù)測(cè)。

4、探究了影響滲透率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，開(kāi)展了不同纖維鋪層方式對(duì)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(duì)面內(nèi)滲透率的影響規(guī)律，在滲透率的預(yù)測(cè)方面取得了較大進(jìn)展。對(duì)比了有縫線(xiàn)和無(wú)縫線(xiàn)兩種類(lèi)型NCF單胞的滲透率大小，重點(diǎn)分析了纖維束形狀大小（包括纖維束寬度B、高度h和纖維束沿纖維方向截面橢圓長(zhǎng)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(duì)預(yù)制件面內(nèi)滲透率的影響。通過(guò)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(duì)滲透率的影響程度，為纖維預(yù)制件結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)等效直徑、縫線(xiàn)的尺寸和分布、縫線(xiàn)偏離中心距離等因素對(duì)纖維預(yù)制件面內(nèi)滲透率的影響。結(jié)果表明:沒(méi)有縫線(xiàn)的預(yù)制件單胞面內(nèi)滲透率大于有縫線(xiàn)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(zhǎng)半軸和纖維束間距的提高而提高。當(dāng)纖維束寬增加1.2倍時(shí)，無(wú)縫線(xiàn)的單胞滲透率降低了約52％，而有縫線(xiàn)的單胞滲透率降低

6、了約54％;高度提高一倍時(shí)，對(duì)應(yīng)無(wú)縫線(xiàn)單胞滲透率增加了約2倍，而有縫線(xiàn)單胞滲透率增加了1.73倍;長(zhǎng)半軸增加3.2倍，對(duì)應(yīng)無(wú)縫線(xiàn)單胞滲透率增加了30％，有縫線(xiàn)單胞滲透率增加了29％;纖維束間距增加4.7倍，對(duì)應(yīng)無(wú)縫線(xiàn)單胞滲透率增加了11.3倍，而有縫線(xiàn)單胞滲透率增加了14倍。預(yù)制件滲透率對(duì)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(duì)纖維束間距是最為敏感的，對(duì)于纖維束截面邊沿橢圓弧的長(zhǎng)半軸相對(duì)不敏感。NCF預(yù)制件因縫制時(shí)纖維束

7、的分叉阻礙了流體的滲流速度，當(dāng)流道內(nèi)交叉束的等效直徑與纖維束間距離比是0.7時(shí)，纖維束分叉情況下滲透率比沒(méi)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(xiàn)中心位置逐漸偏離流道中心略有增加，隨著縫線(xiàn)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(duì)于縫制的單胞，通過(guò)引入修正因子和縫線(xiàn)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(cè)的滲透率與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(cè)纖維預(yù)制件面內(nèi)滲透率，從而實(shí)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(cè)，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(duì)北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出的“離位”增韌技術(shù)，揭示了增韌層對(duì)預(yù)制件滲透率的影響規(guī)律和機(jī)理，重點(diǎn)分析了增韌層的厚度和滲透率以及不同纖維鋪層角度對(duì)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(yuǎn)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?jǐn)?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(cè)Z向滲透率，作為Z向流動(dòng)RTM成型模擬的關(guān)鍵參數(shù)，它的

10、精確預(yù)測(cè)對(duì)進(jìn)一步RTM成型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要指導(dǎo)。
　　針對(duì)樹(shù)脂在多尺度纖維預(yù)制件中的流動(dòng)特點(diǎn)，引入了不飽和因子修正Darcy定律，建立了描述樹(shù)脂在纖維預(yù)制件中非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的偏微分方程(PartialDifferentialEquation，PDE)，利用COMSOL軟件作為求解器求解RTM成型時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)的控制方程，研究了樹(shù)脂流動(dòng)前沿演化規(guī)律，將其與解析解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該模型能夠精確預(yù)測(cè)樹(shù)脂在纖維預(yù)制件中的非穩(wěn)態(tài)流

11、動(dòng)。針對(duì)“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(rùn)過(guò)程注射口壓力與時(shí)間關(guān)系的曲線(xiàn)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。模擬了樹(shù)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)脂在纖維預(yù)制件細(xì)微觀(guān)層次浸潤(rùn)的可視化。這種可視化結(jié)果為預(yù)測(cè)樹(shù)脂在預(yù)制件中的宏觀(guān)流動(dòng)提供了重要補(bǔ)充并為實(shí)際工藝提供了一定指導(dǎo)作用。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)增韌層使得流動(dòng)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(shù)脂黏度、注射壓力和不