秦澤云，王海東，李金良，王亞楠，劉利文

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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天線面蒙皮真空導入整體成型充模仿真及優(yōu)化

秦澤云，王海東，李金良，王亞楠，劉利文

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對大口徑(15 m×18 m)天線面蒙皮真空導入整體成型工藝，利用有限元軟件RTM-Worx對4種流道設計方案進行充模流動仿真模擬，通過比較各自流動效率，選擇導流方式4作為最佳流道設計方案，并結合實際工藝操作對所選方案作了進一步優(yōu)化。利用該優(yōu)化方案順利完成了大口徑天線面蒙皮的整體成型制造，充模時間100 min，與仿真結果吻合良好，制得了比較滿意的產(chǎn)品，為其他大型整體化制件的合理設計和工藝優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

大口徑天線面；真空導入；流道設計；充模仿真

0　引言

真空導入技術的應用在復合材料成型過程中能夠除去模具與纖維增強材料內(nèi)的空氣，有效提高了樹脂在纖維增強材料中的流動能力，是制得高質(zhì)量復合材料制件的保證[1]。與以往傳統(tǒng)的復合材料成型工藝相比，真空導入技術更適合于成型大厚度、大尺寸的制件，通過合理的流道設計，實現(xiàn)樹脂對纖維增強材料的充分浸漬，降低工藝風險[2]。碳纖維復合材料[3]以其輕質(zhì)、高強及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點被廣泛應用于高精度天線面板的制備[4]，而大型薄壁構件的整體化成型成為復合材料構件低成本制造的亟待解決的難點及研究熱點[5-6]。

利用計算機仿真模擬技術[7]，來模擬真空導入成型工藝的動態(tài)流動過程，并對流道設計方案進行優(yōu)化，能夠有效改善樹脂對纖維增強材料浸潤的均勻性，降低孔隙形成的幾率，提高天線面產(chǎn)品的性能[8-9]。秦偉、李海晨等[10]學者采用貼體坐標/有限差分法模擬了樹脂滲流過程，建立了樹脂滲流控制方程。楊波、金天國等[11]學者基于數(shù)值模擬技術，通過對4種不同流道布置方式的樹脂充模過程進行仿真模擬，確定了最佳的流道布置方式。孫玉敏、段躍新等[12]學者利用RTM模擬仿真系統(tǒng)對風機葉片的RTM充模過程進行了三維模擬，優(yōu)化了成型工藝方案并用來指導實際生產(chǎn)，取得了良好的效果。

1　流動仿真理論模型

真空導入樹脂浸潤纖維的過程和固化過程是一個非等溫滲流過程，這一過程的數(shù)學模型描述主要包括動量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程，這些方程是描述物質(zhì)存在和運動形式普遍物理規(guī)律的基本方程。在研究注射過程中樹脂壓力、溫度等隨時間的變化過程，為了減輕復雜程度，不考慮工藝過程中可能出現(xiàn)的邊緣現(xiàn)象，需對真空導入工藝做以下假設：① 纖維是剛性的，在樹脂浸潤纖維過程中不發(fā)生變形；② 樹脂和纖維的密度不發(fā)生變化；③ 樹脂流動過程中，其雷諾數(shù)較小，可以忽略毛細管力和慣性力的影響；④ 樹脂浸潤纖維區(qū)域與非浸潤區(qū)域有明顯分界面，在分界面以外沒有樹脂，在分界面以內(nèi)樹脂達到飽和。

真空導入仿真模擬以Darcy定律作為理論基礎，可表示為：

(1)

式中，Q為通過恒定截面積試樣的體積流量，單位為m3/s；K為纖維預成型體的滲透率張量，單位為m2；A為試樣橫截面積，單位為m2；ΔP為相應于流動長度L的壓強差，單位為Pa；η為流體粘度，單位為Pa·s；L為流動前沿的距離，單位為mm。

對于真空導入樹脂充模過程，仿真模擬的關鍵在于運動邊界的確定，即樹脂流動前沿位置的確定，本文采用有限元控制體積法來實現(xiàn)充模過程中流動前沿的自動跟蹤。通過求解型腔內(nèi)的壓力場方程就可以得到注射點和內(nèi)點的壓力場分布以及各前沿節(jié)點的靜流率，可以準確預測任意時刻的樹脂流動前沿曲線、壓力場及速率場的分布，為真空導入工藝設計如注射口和排氣口的布置等提供有效的參考依據(jù)，從而保證成型過程模擬的真實性及實際工藝參數(shù)的可靠性。

2　天線面蒙皮充模仿真及優(yōu)化

2.1天線面蒙皮流道設計及模擬

根據(jù)真空導入流道設計方法設計4種蒙皮導流方式，利用Pro/e三維建模軟件及RTM-Worx有限元分析軟件對反射面蒙皮建模并進行充模仿真模擬。

該天線面蒙皮投影為偏饋橢圓形形狀，其中長軸長度18 m，短軸長度15 m，最高點高度2 m，二維表示如圖1所示。在有限元軟件中劃分網(wǎng)格，包含節(jié)點數(shù)66 052個，單元數(shù)125 474個。

仿真模擬過程中設置真空導入工藝參數(shù)為：纖維預成型體滲透率：8×10-10m2，纖維體積含量60%，樹脂粘度220 mPa·s，真空壓力0.095 MPa。對4種導流方式進行仿真模擬計算，結果如圖2～圖5所示。

圖1　天線面蒙皮二維平面圖

圖2　導流方式1仿真模擬結果　圖3　導流方式2仿真模擬結果

圖4　導流方式3仿真模擬結果　圖5　導流方式4仿真模擬結果

圖6　不同導流方式充模時間比較

不同導流方式充模時間比較如圖6所示，從圖中可以看出，導流方式4充模時間最短，流動效率最高，初步確定為天線面蒙皮流道設計方案。

分析仿真模擬結果，導流方式1由于流道間距較大(>3 m)，注膠口較少，導致流動速度較慢，充模時間較長，如果縮小流道間距，增加注膠口數(shù)量，會帶來流道排布困難，注膠量無法合理分配的問題，同時該方案極易產(chǎn)生邊緣效應，致使工藝過程無法有效控制。

導流方式2流道間距縮短，流道總長度較長，充模時間有所減少，但是根據(jù)注膠口分布原則，為使每一圈流道同時充滿，同時開始浸潤纖維布，每圈需設置注膠口較多，第7圈有12個，共有注膠口46個。為了提高每圈真空壓力，縮短充模時間，每圈還需設置抽氣口，共有抽氣口33個。這樣對工藝過程中注膠口和抽氣口的開合順序提出了較高的要求，增加了工藝風險。

針對導流方式2的弱點，導流方式3極大地減少了注膠口和抽氣口的數(shù)量，避免了對注膠口和抽氣口同時進行開合控制的風險，只對注膠口有一定開合順序的要求，流道布置相對均勻。但是在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，樹脂流動前沿呈“U”型向前流動時，“U”型深度較深(>6 m)，若注膠口控制不合理或流動管路發(fā)生移位，容易導致“U”型兩側邊樹脂先匯聚，在“U”型內(nèi)部形成聚氣，產(chǎn)生干斑缺陷。

導流方式4樹脂流動前沿呈“V”型，較好地彌補了“U”型流動前沿的不足，且只有一個注膠口，避免了控制注膠口順序產(chǎn)生的工藝風險，從仿真模擬結果可以看出，樹脂流動比較均勻，流動效率最高，充模時間最短，是比較理想的注膠方案。

2.2大口徑天線面蒙皮真空導入工藝優(yōu)化

導流方式4的設計方法為：由48根導流管按照從中心點呈發(fā)射狀布置，其中單根流道長度范圍為6.95～8.8 m，流道總長約384 m，相鄰流道末端間距范圍為0.98～1.2 m。注膠設計為中間設置1個注膠口，抽氣設計為外圈一圈抽氣。

為便于工藝操作，保證樹脂充模效率及質(zhì)量，對流道設計進行如下改進：注膠設計改為由8個注膠口圍成環(huán)狀，6根導流管共用一個注膠口，環(huán)形直徑為1 m。在環(huán)狀中心增加1個抽氣口進行抽氣，設計示意圖如圖7所示。針對該方案進行充模流動仿真模擬，優(yōu)化方案模擬結果如圖8所示，并利用該方案順利完成了15 m×18 m大口徑天線面蒙皮的成型，工藝實施過程如圖9所示。

圖7　流道設計改進示意圖　圖8　仿真模擬結果示意圖

圖9　天線面蒙皮工藝實施過程

通過比較天線面蒙皮工藝實施過程與仿真模擬結果，其充模時間略有差別，仿真模擬充模時間為90 min，而實際成型時充模時間為100 min，分析原因主要是兩方面的因素，一是仿真過程中樹脂粘度恒定，而實際成型過程中，樹脂粘度隨時間有所變化；二是仿真模擬時預成型體滲透率為理想值，而實際增強材料鋪設過程中總會產(chǎn)生局部變形，及增強材料本身的不均勻性，會導致不同位置滲透率不完全符合設定值。

總體來說，通過對流道設計進行仿真模擬，能夠提供對實際工藝成型有指導意義的結果，從而避免了反復試驗帶來的成本增加，降低了工藝風險，提高了成型效率及產(chǎn)品質(zhì)量，取得了良好的效果。

3　結束語

利用有限元軟件RTM-Worx完成了對大口徑天線面蒙皮的充模仿真模擬，通過比較流動效率選擇導流方式4作為最佳流道設計方案，結合實際工藝設置作了進一步優(yōu)化，并利用該方案順利完成了大口徑天線面蒙皮的工藝成型，充模時間100 min，與仿真模擬結果吻合良好，制得了比較滿意的產(chǎn)品。

利用該仿真模擬技術，有效改善了樹脂對纖維增強材料浸潤的均勻性，能夠降低工藝成本及工藝風險，提高制品性能，為其他大型薄壁構件的合理制備和優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。

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Mold-filling Simulation and Optimization of VARI for Large Antenna Reflector Skin

QIN Ze-yun,WANG Hai-dong,LI Jin-liang,WANG Ya-nan,LIU Li-wen

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

For molding of large aperture(15m×18m)antenna reflector skin with VARI,mold-filling of four runner design schemes are simulated using the finite element software RTM-Worx.By comparing the flow efficiency,the best runner design is selected,which is further optimized when combined with the actual process settings.A large-diameter antenna reflector skin has been successfully completed with this optimized scheme.The filling time(100min)agrees well with the simulation results.This technology provides a basic reference for the reasonable design and optimization of the process for other large components.

large antenna reflectors;VARI;design of flow runner;filling simulation

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.13

引用格式：秦澤云，王海東，李金良，等.天線面蒙皮真空導入整體成型充模仿真及優(yōu)化[J].無線電通信技術,2016,42(5):53-55,98.

2016-05-17

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目計劃(973計劃)資助(2013CB837900)；國家自然科學基金國際合作與交流項目(11261140641)；國家國際科技合作專項項目(2012DFB00120)

秦澤云(1986—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：復合材料工藝設計與仿真。王海東(1980—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：先進復合材料工藝設計。

TB332

A

1003-3114(2016)05-53-3