1、實驗報告先進樹脂基復合材料制造和模擬特色實驗 實驗名稱： LCM工藝模擬實驗 學 號： SY1401136 學生姓名： 李婷婷 指導教師： 段躍新 一、實驗目的1. 了解為什么要進行復合材料工藝模擬研究2. 了解復合材料工藝模擬分析主要組成部分3. 了解復合材料工藝模擬的技術要點4. 了解RTM工藝樹脂充模過程的影響因素二、實驗原理1.RTM工藝RTM工藝又稱為樹脂傳遞模塑成型工藝，是指將液態低粘度樹脂在一定壓力下，注入預先鋪放了纖維增強材料的閉合模具中，樹脂流動、浸漬增強材料并固化成型的一種先進復合材料加工方法。RTM工藝的優點：它將樹脂浸潤，固化成型過程和增強纖維結構設計與制造分開；低成本

2、，高質量的半機械化成型方法；增強材料和預成型體的可設計性強；纖維體積含量高，可達65%；采用低壓注射技術，有利于制備大尺寸，復雜外形，兩面光潔的整體結構。RTM成型條件：閉合模具內的樹脂在較短的凝膠時間內迅速浸潤纖維，并利用注射壓力或其他工藝手段盡快排出氣泡和干斑。 注射口和溢料口對沖模時間和樹脂流動模式沖擊很大，是RTM工藝設計的關鍵。采用多孔注射工藝可使樹脂在達到凝膠點之前充分浸潤增強纖維，以免產生氣泡和干斑。很多研究者在計算機模擬及RTM模具充模過程的優化領域進行了大量的努力，逐漸建立了一些應用于RTM工藝模擬研究的軟件平臺，為模具設計，樹脂充模注射過程提供了理論依據。設計者可通過成型模

3、擬預測壓力分布，樹脂流動模式，干斑的形成及充模過程中的其他現象。這些信息提供了RTM成型工藝參數的最優值，比如壓力，注射速度，注射口和溢料口的位置。事實上，樹脂流動前鋒的變化在RTM成型工藝起著更重要的作用，在充模過程中的樹脂流動形式對RTM成型工藝的成型參數影響很大。2. RTM工藝計算機模擬發展簡史和現狀有限元（FE，Finite Element）是指那些集合在一起能夠表示時間連續域的離散單元，對于實際問題，有限元分析法（FEA，Finite Element Analysis）不僅計算精度高，而且能適應各種大型復雜構件或多自由度體系分析。隨和計算機技術的快速發展和普及，有限元分析法短短幾十

4、年內迅速從結構工程強度分析計算擴展到傳熱、流體運動、電磁等連續介質的幾乎所有科學技術領域分析。近年來，在RTM工藝模擬中也采用控制體積有限元法，使得數值模擬取得了重大進展，從兩維擴展到三維，計算精度也大為提高。3. RTM工藝計算機模擬原理3.1數學模型的建立在 RTM 工藝過程充模過程中因為微觀尺度的復雜性，宏觀尺度成為 RTM 工藝模擬的一般方法。在宏觀方法中，樹脂在模腔內的流動可以看成是牛頓流體在多孔介質中的流動，可以利用達西定律來模擬和分析這種流動。3.2達西定律當考慮重力時達西定律如下式所示：也可寫為張量符號達西定律應用于牛頓流體， 忽略殼體內的慣性影響和栓塞流。 用連續方程結果代替

5、達西定律，該方程可解壓力場因而可在多孔纖維鋪層中模擬樹脂的流動，許多研究證實了其準確度。4. 數值計算方法FEM/CV法在有限元法/控制體積（FEM/CV）方法中，需要確定填充因子來表征某一區域的狀態（已填充或未填充），并且對時間步長做了限制，以確保準穩態近似的準確度=性。求解過程僅建立在連續性方程的基礎上，這就要求必須求解壓力場，顯示確定的速度場和流動速度。控制體積可以有兩種類型：（1）聯結結點周圍各邊界中點形成控制體積。 （2）有限單元自身作為控制體積。在流動前鋒，計算區域的邊界是不斷變化的，所以應該建立一種方法來確定流動前鋒。對于模腔內的每個結點，設定結點填充分數f，代表整個模具中的每個

6、控制體積。每個控制體積的填充分數代表樹脂在總的孔隙中占據的分數。對于一個空的控制體積f=0，當控制體積完全被樹脂填滿f=1。f的值表示樹脂占有控制體積的體積比。在流動前鋒，填充系數總是在0和1之間。在計算過程中，填充系數f<1的結點壓力總是被設定為0可以計算壓力，當模具部分充滿成為空控制體積時壓力是空氣壓力。根據這種方法，流動前鋒正處在完全充滿和完全空的控制體積交界處，流動前鋒的邊界條件施加在這些控制體積處。雖然前面的公式是穩定態的，但實際充模過程并不是這樣。將實際充模過程簡化成一系列穩定態的瞬間解的組合，新的流動前鋒可由流動前鋒的速度分量和時間步來估算。應對時間步大小進行限制以保證此亞

7、穩態的過程是對連續性的充模過程的良好的近似。時間步的大小應只容許一個控制體積被充滿，如果在一個時間步內有多于一個控制體積被充滿，但它們不是被新充滿或半充滿的其它控制體積填充的，這只是一種時間上的巧合。循環求解此亞穩態過程，直到模腔完全充滿。在壓力場的求解過程中可以采用多種形式的有限元網格，除矩形外還可采用三角形，S單元等。4.樹脂傳遞模塑（RTM ）過程計算機數值模擬系統簡介本系統由北京航空航天大學材料科學與工程學院高分子復合材料系開發，用于計算和模擬平板復合材料構件的RTM流動過程，具有顯示流動過程和輸出任一時刻壓強分布的功能。3、 實驗步驟使用樹脂傳遞模塑（RTM）過程計算機數值模擬系統進

8、行 RTM 工藝分析，改變參數如壓力、樹脂粘度、滲透率、注膠口溢料口個數位置等進行工藝模擬。本次試驗主要研究充模時間與樹脂粘度、注射壓力、滲透率、注射口和溢料口的關系。并從模擬中任意選擇時間序號，得出該時刻模腔內的壓力場分布。4、 實驗結果與分析4.1注射時間與樹脂粘度的關系表4.1是模具內模的最大輪廓尺寸為（60.0，100.0，0.6），x、y方向的滲透率為1.0e-5cm 2 ，注入壓力為0.3MPa，注射口位置為（0，0），（0，1），（1，0），（1，1），溢料口3個（30，0）、（0，50）、（30，50），情況時的樹脂粘度與最終充模時間的數據。圖4.1為充模時間與樹脂粘度的關系圖

9、。表4.1 充模時間-樹脂粘度樹脂粘度（cp）30.060.090.0120.0150.0220.0充模時間（s）144.8515289.7029434.5544579.4059724.25731062.2441圖4-1 充模時間與樹脂粘度關系曲線從圖4-1中可以看出充模時間與樹脂粘度基本成正比關系，粘度越大充模所需時間越長。 樹脂粘度越大，流動速度就慢從而充滿模腔的時間就長。樹脂粘度對充模時間影響很大，進而影響復合材料制件的質量。實際生產中應選擇適當的樹脂粘度，粘度太大，填充慢，效率不高；粘度太小會容易造成缺陷。4.2充模時間與注射壓力的關系表4-2為是模具內模的最大輪廓尺寸為（60.0，1

10、00.0，0.6），x、y方向的滲透率為1.0e-5cm 2 ，樹脂粘度為60cp，注射口位置為（0，0），（0，1），（1，0），（1，1），溢料口3個（30，0）、（0，50）、（30，50），情況時的注射壓力與最終充模時間的數據。表4-2 充模時間-注射壓力注射壓力（MPa）0.100.150.200.250.30充模時間（s）890.0920586.1351437.0451348.4356289.7029注射壓力（MPa）0.350.400.450.500.55充模時間（s）247.9164216.6654192.4119173.0419157.2155圖4-2 充模時間和注射壓力的關

11、系從圖中可以看出，充模時間與注射壓力成反比，符合達西定律。當注射壓力較小時， 隨注射壓力的增大，樹脂充模時間隨壓力變化比較顯著；當壓力較大時，壓力對樹脂充模時間的影響減弱，隨壓力增大，充模時間幾乎無明顯變化。在實際的工藝過程中，不僅要考慮提高注射壓力對充模效率的正面影響， 還要考慮到壓力增大可能會造成纖維變形而最終影響制品質量，并且由圖中可以看出，壓力過大，并不能夠特別顯著地提高成型效率。4.3注射方式對充模時間的影響表4-3是x、y方向的滲透率為1×10 -5cm2，樹脂的粘度為60cp，注射壓力為0.3MPa時，不同注射口和溢料口位置對應的最終充模時間。圖4-3（a）（b）（c）

12、（d）（e）為模擬結果的時間彩圖。表4-3 不同注射方式所對應的充模時間注射方式注射點坐標放氣點坐標充模時間（s）一角進、一角出（0,0）（0,1）（1,0）（1,1）（30,50）289.7029一角進、三角出（0,0）（0,1）（1,0）（1,1）（30,0）（0,50）（30,50）289.7029中心注射（14,24）（14,25）（15,24）（15,25）（0,0）（0,50）（30,0）（30,50）61.2798短邊心注射（14,0）（15,0）（14,1）（15,1）（0,0）（0,50）（30,0）（30,50）168.9088長邊心注射（0.24）（0，25）（1,24）

13、（1,25）（0,0）（0,50）（30,0）（30,50）125.5533圖4-3（a）一角進、一角出圖4-3（b）一角進、三角出圖4-3（c）中心點注射圖4-3（d）短邊心注射圖4-3（e）長邊心注射圖4-4 注射方式對充模時間的影響從以上分析可以看出，不同注射方式對充模時間的影響很大，其中中心點注射的充模時間最短，前兩種注射方式雖然放氣點坐標不同，但是充模時間相同，說明當注射點坐標一致是，放棄點坐標對注射時間的影響不是很大。在實際生產中，我們要根據實際要求來選擇合適的注射方式，以使得制件的綜合性能最高。4.4充模時間和滲透率的關系表4-4是樹脂的粘度為60cp，注入壓力為0.3MPa，注

14、射口4個位置分別為（0,0），（0,1），（1,0），（1,1）溢料口3個（30,0），（0,50） ，（30,50）情況時的滲透率（x、y方向的滲透率相同）和最終充模時間的數據，圖4-5為其關系圖。表4-4 充模時間-滲透率滲透率(1.0e-6cm2)51015202530充模時間（s）579.4059289.7029193.1353144.8515115.881296.5676圖4-5 充模時間-滲透率由以上分析看出，充模時間和滲透率成反比，當滲透率較小時，隨滲透率的增大，充模時間減小較快；當滲透率增長到一定程度時，隨滲透率的增加，對充模時間的影響不大。4.5特定時間模腔內壓力場分布樹脂的粘度為 60cp，注入壓力為0.3MPa，x,y方向的滲透率相同，為1e-5cm2，4個注射口位置為（0,0），（0,1），（1,0），（1,1），溢料口3個（30,0）、（0,50）、（30,50）情況時100s時模腔內壓力分布圖，如圖4-6所示。圖4-6 特定時間內模腔的壓力場分布由上圖可知，離注射點越近，注射壓力越大，距離注射點越遠，壓力越小。5、 實驗結論1、充模時間與樹脂粘度基本成正比關系，粘度越大充模所需時間越久。2、充