李延平，郭鵬亮，蘇 亮，萬(wàn)建平，殷 俊，辛洪南

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，320024）

0 引言

RTM（Resin Transfer Molding）工藝是目前最常用的高性能復(fù)合材料低成本制造技術(shù)之一，其工藝原理是在一定的溫度和壓力下，將低粘度樹脂注入閉合模腔，浸潤(rùn)增強(qiáng)材料并固化。該工藝的主要特點(diǎn)是產(chǎn)品尺寸精度高、制造周期短、結(jié)構(gòu)整體性高、制造成本低、設(shè)備投入少等?；赗TM成型工藝的諸多優(yōu)點(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于航空復(fù)合材料制件的設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域，也實(shí)現(xiàn)了在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的成型。

樹脂注膠流道設(shè)計(jì)是RTM工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。合理的注膠流道設(shè)計(jì)不僅可以縮短樹脂在預(yù)制體內(nèi)的滲透時(shí)間，而且還可以避免滲透過(guò)程中干斑、富樹脂等缺陷的形成。傳統(tǒng)模具樹脂流道設(shè)計(jì)是以工程經(jīng)驗(yàn)為主，輔以試錯(cuò)法，而實(shí)際零件樹脂流動(dòng)軌跡復(fù)雜程度僅靠工程試驗(yàn)很難準(zhǔn)確掌握樹脂在復(fù)雜結(jié)構(gòu)預(yù)制體中的流動(dòng)狀態(tài)，而且還需要消耗大量的人力和物力。

若在RTM工裝設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，借助數(shù)字化仿真技術(shù)對(duì)樹脂在模具型腔內(nèi)的狀態(tài)及變化規(guī)律進(jìn)行模擬仿真，可大大降低產(chǎn)品研制周期和風(fēng)險(xiǎn)，降低研制成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。PAM-RTM軟件是針對(duì)RTM、真空輔助滲透（VARI）等液態(tài)成型工藝開發(fā)的專業(yè)三維過(guò)程模擬仿真軟件，能較為準(zhǔn)確地模擬RTM工藝過(guò)程中樹脂的流動(dòng)過(guò)程、壓力分布、固化過(guò)程及充模時(shí)間等重要信息。本文采用PAM-RTM軟件對(duì)RTM工藝整體成型復(fù)合材料前邊條流道設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真研究，以指導(dǎo)流道設(shè)計(jì)及優(yōu)化工藝參數(shù)。

1 PAM-RTM軟件簡(jiǎn)介

1.1 功能概述

PAM-RTM模擬的工藝覆蓋面極廣，囊括了標(biāo)準(zhǔn)RTM、VARI、非等溫RTM（Heat-RTM）、真空輔助RTM等在內(nèi)的絕大多數(shù)液態(tài)成型工藝。其功能涉及RTM中的競(jìng)流效應(yīng)、纖維方向?qū)ψ⑺苓^(guò)程的影響、材料鋪覆過(guò)程對(duì)纖維角度的影響、注膠口及出膠口位置、注射壓力流量、充模時(shí)間（圖1）、充模壓力分布、樹脂在填充過(guò)程中和填充完成后的樹脂固化過(guò)程等影響因素。該軟件計(jì)算迅速，利用Darcy守恒定律求解，保證了計(jì)算的精度；后處理結(jié)果直觀，無(wú)須進(jìn)入其他界面直接觀察模擬結(jié)果；準(zhǔn)確模擬樹脂充模和固化過(guò)程，優(yōu)化纖維與樹脂的匹配，優(yōu)化注膠口和出膠口的位置，優(yōu)化注膠速率和注膠壓力。

圖1 PAM-RTM模擬的RTM工藝機(jī)翼結(jié)構(gòu)件

1.2 數(shù)學(xué)模型

RTM的數(shù)值模擬主要涉及到三種物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型：樹脂在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、制件和模具之間的熱交換、樹脂的化學(xué)反應(yīng)。

樹脂在纖維增強(qiáng)體中的流動(dòng)可以假設(shè)成在多孔介質(zhì)中流動(dòng)，其流動(dòng)行為主要受Darcy定律控制。Darcy公式如下所示，表示單位面積的流率正比于壓差，反比于粘度。

其中，K表示預(yù)制體滲透率，μ表示樹脂粘度，V表示樹脂流速，P表示壓力。滲透率指粘性流體浸入多孔介質(zhì)的能力，單位為m2，由纖維的體積含量和鋪層順序決定。纖維主方向上的滲透率可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。樹脂的粘度與溫度和樹脂的固化度有關(guān)。

2 采用PAM-RTM軟件對(duì)前邊條進(jìn)行流道設(shè)計(jì)仿真

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析與工藝方案設(shè)計(jì)

復(fù)合材料前邊條RTM整體件（圖2）為典型的雙蒙皮大曲率變截面多腔盒段結(jié)構(gòu)（展長(zhǎng)1800mm，沿展向 0～800mm，空腔高度 10～295mm ），由上、下蒙皮、邊緣及12個(gè)復(fù)材肋組成，屬薄殼結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，注膠工藝方案示意圖如圖3所示，主要包括以下幾個(gè)方面。

圖2 前邊條RTM整體件結(jié)構(gòu)示意

圖3 注膠工藝方案示意

1）注膠策略選擇邊緣注射：注射口設(shè)計(jì)在模具的一端，排氣口對(duì)稱的設(shè)計(jì)在模具的另一端，采用真空輔助出膠。同時(shí)在模具上設(shè)有分配流道，樹脂從邊緣流道注射。將注射流道設(shè)置為與肋的方向平行，消除當(dāng)注射方向垂直于肋時(shí)產(chǎn)生的大量分流道。上下蒙皮的末端都開有膠槽，出膠口位于膠槽內(nèi)。肋的末端與膠槽相連，通過(guò)膠槽排出空氣和多余樹脂；

2）采用多孔注射：在模具上設(shè)計(jì)多個(gè)注膠口（圖3），多孔注射是降低RTM充模時(shí)間、提高生產(chǎn)效率的一種重要措施。

3）注膠順序：按順序注膠，通過(guò)對(duì)注射口注射方式和注射時(shí)間的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)制品成型。在順次注膠過(guò)程中，必須了解樹脂相對(duì)注膠口的位置；注射太早可能導(dǎo)致兩個(gè)流動(dòng)前沿匯聚，最終導(dǎo)致空隙的出現(xiàn)，而注射過(guò)晚會(huì)浪費(fèi)注射時(shí)間并增加能耗。

4）注射壓力：采用壓力注射，最大注射壓力為6bar。通常注入壓力越大，充模所需的時(shí)間越短，但過(guò)大的注射壓力對(duì)模具要求高而導(dǎo)致成本增加。同時(shí)太大的注射壓力也會(huì)導(dǎo)致模腔內(nèi)部的壓力梯度過(guò)大從而使預(yù)型體發(fā)生凹陷變形等。

2.2 建模過(guò)程

2.2.1 計(jì)算模型

前邊條為薄殼結(jié)構(gòu)，不考慮樹脂在厚度方向的流動(dòng)，簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖4所示。利用Hypermesh軟件，以三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元尺寸為5mm，總共有189286個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為94139（圖5）。

圖4 計(jì)算幾何模型

圖5 計(jì)算有限元模型

2.2.2 材料參數(shù)

RTM充模模擬研究將充模過(guò)程視為牛頓流體在多孔介質(zhì)中的滲流過(guò)程，以Darcy定律作為流體的運(yùn)動(dòng)方程。假設(shè)樹脂粘度不隨時(shí)間和溫度變化，取常數(shù)值為0.1Pa.s。假設(shè)預(yù)制體為各向同性，不考慮鋪層設(shè)計(jì)，預(yù)制體滲透率取4×10-11m2，孔隙率為0.5，流道的孔隙率為1，滲透率為1×10-6m2，見表 1。

表1 材料參數(shù)

2.2.3 邊界條件

注膠口與出膠口的位置如圖6所示，采用壓力注射，初始注射壓力為1bar，最大注射壓力為6bar。出膠口與真空泵相連，出口壓力為0bar。當(dāng)樹脂從出口流出時(shí)，立即關(guān)閉相應(yīng)的出膠口。

圖6 注膠口和出膠口位置示意

2.3 流道設(shè)計(jì)模擬仿真過(guò)程及結(jié)果分析

依據(jù)注膠口和出膠口的位置，主要通過(guò)閥門的關(guān)閉和注膠壓力來(lái)控制注膠過(guò)程，模擬過(guò)程中采用了3種方案，方案一為注、出膠口全開，初始注射壓力為1bar；方案二為只開啟注膠口2，出膠口全開，初始注射壓力為1 bar；方案三為注、出膠口全開，初始注射壓力為3 bar，其模擬過(guò)程及模擬結(jié)果詳見表2。根據(jù)模擬結(jié)果，著重對(duì)比分析了在不同的條件下型腔內(nèi)樹脂的流動(dòng)、壓力分布以及充模時(shí)間，以指導(dǎo)模具流道的設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)的優(yōu)化，為提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低制造成本提供技術(shù)支持。

表2 計(jì)算工況

2.3.1 方案一 模擬結(jié)果及分析

方案一注膠方式如圖7所示。

圖7 注膠示意（方案一）

如圖8所示，注膠時(shí)間為3310 s，即經(jīng)過(guò)3310 s樹脂完全填充到型腔里。肋的填充時(shí)間依據(jù)尺寸的大小而變化，其中肋L1大約經(jīng)過(guò)105 s完成填充，肋L12需經(jīng)過(guò)2960 s才能被樹脂完全填充。下蒙皮經(jīng)過(guò)2818 s完成填充，上蒙皮中的直角點(diǎn)處最后完成填充。

圖8 注膠時(shí)間云圖（方案一）

樹脂的流動(dòng)過(guò)程如圖9所示，分別描述了2s、105s、1587s、2960 s時(shí)型腔內(nèi)樹脂的分布情況。

1）自0 s時(shí)開始從3個(gè)注膠口注膠，樹脂先沿著流道流動(dòng)，經(jīng)過(guò)2s后樹脂幾乎充滿流道，并沿著上、下蒙皮向前流動(dòng)（圖9a）；

圖9 方案一 不同時(shí)刻樹膠分布情況

2）經(jīng)過(guò)8 s，通過(guò)上、下蒙皮的樹脂開始浸潤(rùn)與肋相連的夾芯梁的蒙皮，此時(shí)存在包裹空氣的現(xiàn)象；隨著時(shí)間的推移，經(jīng)過(guò)42 s，樹脂完全充滿與肋相連的夾芯梁的蒙皮，并開始沿著肋的拉伸方向流動(dòng)。此時(shí)，型腔中的流域主要分為三個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，分別是上蒙皮、下蒙皮和肋，其中，上下蒙皮樹脂的流動(dòng)前沿以一定的曲率向各自的垂直點(diǎn)收縮，肋上樹脂沿著肋延伸的方向向前流動(dòng)；

3）經(jīng)過(guò)105 s，肋L1完全被樹脂浸潤(rùn)，如圖9b所示；

4）在注膠的開始階段肋的流動(dòng)前沿的形狀為拋物線，與上、下蒙皮相連的肋的緣條的流速略大于腹板中樹脂的流速，因此在肋的末端中部有可能形成空氣包裹；

5）隨著注膠過(guò)程的不斷進(jìn)行，與下蒙皮相連的緣條的流速略大于上緣條中樹脂的流動(dòng)，流動(dòng)前沿的形狀為從下蒙皮到上蒙皮方向逐漸減小的弧形。此時(shí)，肋的流動(dòng)區(qū)域在上蒙皮與肋的交匯處可能存在包裹空氣的現(xiàn)象，如圖9c所示；

6）經(jīng)過(guò)2960 s時(shí)，上蒙皮的直角區(qū)域幾乎完成最后填充，如圖9d所示。

PAM-RTM仿真計(jì)算結(jié)果表明，采用上述方案在注射過(guò)程中。從肋L1到L12都可能存在包裹空氣的現(xiàn)象，因此，必須在每個(gè)肋的末端設(shè)置排氣孔以防止包裹空氣而產(chǎn)生干斑缺陷。

注膠過(guò)程中，模具內(nèi)不同時(shí)刻的壓力分布如圖10所示。樹脂充滿膠槽后，整個(gè)前緣上壓力分布均勻，樹脂在壓力作用下不斷向前推進(jìn)，最終型腔內(nèi)的壓力均為1 bar。

2.3.2 方案二 模擬結(jié)果及分析

注膠方案二如圖11所示，關(guān)閉1和3號(hào)注膠口，從2號(hào)注膠口開始注膠，出膠口全部打開，注膠壓力為1 bar。如圖12所示，注膠時(shí)間為3320 s，即經(jīng)過(guò)3320 s樹脂完全填充到型腔里，上蒙皮中的直角點(diǎn)處最后完成填充。

2.3.3 方案三 模擬結(jié)果及分析

注膠方案三如圖13所示，注膠口和出膠口全部打開，注膠壓力為3 bar。如圖14所示，注膠時(shí)間為1130 s，即樹脂完全填充到型腔里用時(shí)1130 s，肋L12在890 s時(shí)被樹脂完全填充，最后完成填充位置為上蒙皮中的直角點(diǎn)。

圖10 模具內(nèi)不同時(shí)刻的壓力分布

圖11 注膠示意（方案二）

圖12 注膠時(shí)間云圖（方案二）

綜上所述，3種注膠方案所得的型腔內(nèi)樹脂的流動(dòng)過(guò)程基本相同，方案一和方案二注射時(shí)間相差不大，說(shuō)明增加注膠口的數(shù)量并不一定能減少注膠時(shí)間；方案三注射時(shí)間最短，與方案一相比，說(shuō)明可通過(guò)增加注膠壓力減少注膠時(shí)間。由于方案一中，樹脂在肋的末端邊緣形成空氣包裹現(xiàn)象的概率較大，同時(shí)考慮到注射壓力較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致樹脂流速過(guò)快，樹脂對(duì)纖維的沖刷作用會(huì)影響樹脂的浸潤(rùn)過(guò)程，且模具的制造成本也會(huì)相應(yīng)增加，故優(yōu)選方案二。

圖13 注膠示意（方案三）

圖14 注膠時(shí)間云圖（方案三）

2.4 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程驗(yàn)證

復(fù)合材料前邊條RTM整體件實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中選用方案二注膠方式，在注膠的初始階段使用1 bar的壓力進(jìn)行注膠，隨著時(shí)間的推移慢慢增加注膠壓力。注膠時(shí)間為3458 s，與模擬結(jié)果基本吻合。制件表面質(zhì)量較好，無(wú)損檢測(cè)合格（圖15）。

圖15 前邊條生產(chǎn)圖片及無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

1）PAM-RTM仿真模擬結(jié)果可指導(dǎo)RTM模具流道的設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)的優(yōu)化，以降低制造成本，縮短生產(chǎn)周期，提升產(chǎn)品質(zhì)量。模擬結(jié)果表明，對(duì)于該密肋隔板結(jié)構(gòu)，單注膠口、邊緣注射、注射壓力遞增為最佳注射方式；

2）驗(yàn)證了數(shù)字化設(shè)計(jì)與整體化成型工藝技術(shù)的有效性和可行性，可為RTM整體成型復(fù)合材料前邊條的數(shù)字化設(shè)計(jì)、模具流道設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。