1、西安航空职业学院毕业论文复合材料工型肋的 RTM 工艺模拟与优化姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：采用 PAM-RTM 模拟软件，对变截面工型肋结构零件进行 RTM 工艺注射方案设计。过程中，分别进行了6 种注射方案的结果模拟，从注射方式、注射参数及注射口选择等方面进行方案设计，对注射过程中压力分布、树脂浸润效果及注射时间进行比较，根据比较结果进行综合评定，最终得出了最优注射方案，并将结果用以指导工装设计，成型了验证零件。结果表明：采用计算模拟技术，可替代人工试验，进行工艺及工装方案设计与制造。工型肋的摆放位置对树脂的浸润趋势和注射时间影响较小，但注射口和注
2、射方式选择对工型肋零件的影响很大，线注射方式及端部注射的浸润效果和效率要好于点注射及梢部注射。 关键词：模拟 工型肋 浸润 注射时间 注射方式 注射口民用客机较大规模地使用了碳纤维复合材料作为机体结构件，RTM(Resin Transfer Molding，树脂传递模塑 )工艺作为复合材料低成本制造工艺的代表，已成为民机领域发展应用的必然方向。而随计算机技术的发展，数值模拟代替工艺试验已成为可能，因而相关 RTM工艺模拟研究迅速发展，以数值模拟技术实现工艺的虚拟设计，替代以小型试验件以确定工艺参数的研究方法，为工艺提供设计依据，再进行相关制件的生产，这样可以显著降低 RTM工艺的制造成本 1-
3、6。国内的相关民机的 RTM 应用资料与经验不多，相关数值模拟工作方面的经验更是十分稀少 7-8，在本文工作中，选取了飞机结构中的变截面工型肋为研究的典型结构，对其开展相关模拟工作，根据模拟结果进行注射方案优化，用以辅助相关工装设计，最后通过零件的成型验证了模拟工作的准确性和有效性。1 实验部分1.1 原材料实验所用主要原材料见表 1。表 1 试验用原材料Table 1 Experimental materials材料 牌号 供应商纤维布 T300, 45,NCF 常州宏发纵横环氧树脂 Cycom890 Cytec1.2 零件结构变截面工型肋长 601.5mm，腹板高度 156.9mm-24.
4、3mm，腹板厚约 4mm，上下缘条宽52mm，厚约 3mm。设计为碳纤维层板结构。零件外形如图 1 所示。图 1 变截面工型肋Fig.1 Drawing of “I” section rib1.3 材料性能测试在进行工艺模拟与零件成型之前，需积累树脂及纤维的基础工艺参数，因此要对工艺所选取的树脂和纤维进行工艺特性分析，包括对纤维预成型体的铺层进行渗透特性分析和树脂体系的固化流变特性分析，以确定树脂的固化特性、树脂与纤维的浸润、匹配与黏附性。纤维预成型体的渗透率是构件成型过程中控制渗透方式和进行树脂流动模拟的关键参数，因此，在进行模拟和成型之前，要针对构件所有的铺层形式进行渗透率测试。分别采用流
5、变仪和渗透率测试工装对零件预成型体和树脂进行了注射粘度和铺层渗透率测试。测试结果如表 2 所示。表 2 材料性能测试结果Table 2 Properties of experimental materials测试项目 测试结果注射粘度 250cps零件腹板渗透率 3.910-11m2零件缘条渗透率 5.910-11m21.4 零件注射模拟RTM 工艺平板模拟与验证，主要是通过 PAM-RTM 软件根据实际的实验几何模型建立计算网格模型，设定工艺参数，计算结果，然后通过实验的手段，在同等工艺条件下研究模型在实际工艺条件下模拟结果的可信程度，即与实际结果的吻合度是否在可接受的范围之内。利用 VIS
6、UAL MESH 软件对变截面工型肋进行网格建模，采用四角网格处理，得到的网格模型如图 2 所示，并在 PAM-RTM 软件中将其切分成三角网格，模型中包含有 1339 个四角网格及 1399 个结点，整个模型表面积 0.1244m2。图 2 变截面工型肋的网格模型建立Fig.1 Mesh model of “I” section rib分析工型肋的结构特点可看到，工型肋为一个细长型，无明显异型附加结构的薄层制件，因此，基本可确定 RTM 成型时树脂应沿长度方向流动，树脂注射口和溢料口应分布在工型肋的长度两端，位置可设计；可采用点注射和线注射；注射时，考虑到树脂本身重力对流动浸润效果的影响，工
7、型肋的摆放位置可设计为竖放，横放，侧放。位置示意如图 3 所示。竖放vertical横放horizontal侧放side图 3 位置示意图Fig.3 Schematic of positioned of “I” section rib2 结果与讨论首先进行点注射模拟，注射口设计在工型肋端部边缘中间位置，溢料口设计在梢部边缘中间位置，分别采用恒压和恒流两种方案进行注射模拟。2.1 恒压端部点注射模拟（竖放）采用恒压端部点注射时的注射口位置如图 4 所示，注射压力为 0.5MPa。图 4 工型肋的恒压端部点注射模拟Fig.4 Point and root injection simulation
8、of “I” section rib with constant pressure condition由模拟结果可看到，注射出胶时间为 1513s，树脂流动基本可呈现均匀向前扩散，其中，溢料口附近由于纤维毛细吸附作用，在树脂的持续流动冲刷下，可能完成对纤维的浸润，但在注射口附近位置，由于没有持续的树脂流动，很难对这个位置进行树脂补偿，因此可能在成型后在这个位置出现贫胶。在这种注射方式下，应考虑将注射口布置在端部余量较大的位置，使缺胶尽量出现在余量线以外，制件机加时将其除去。2.2 恒流端部点注射模拟（竖放）采用恒流端部点注射时的注射口位置如图 5 所示。图 5 工型肋的恒流端部点注射模拟Fig
9、.5 Point and root injection simulation of “I” section rib with constant flow condition采用恒流注射时，注射出胶时间为 2311s，缘条梢部存在两处浸润不完全区域。恒压注射时，注射前期树脂流动较快，随着流动前锋不断向前扩散，注溢两端的压力降增大，使得注射速率逐渐减小。而恒流注射时，树脂为匀速向四周扩散，因此，可能在注射后期，为了保证树脂流动匀速，使得注射口的注射压力增大，而注射压力过大，则会导致纤维预成型体遭树脂冲刷变形严重和整个注射系统的操作危险程度提高。在图 5 所示的过程中，在注射后期，注射口的注射压力达
10、到了 2MPa。因此，在选用恒流注射方式时，注射流量应选择较小值。对于纤维体积含量较低的制件，由于孔隙率较高，树脂流动时的阻力较小，在单位长度方向产生的压力降较小，可考虑采用恒流注射，对于高性能复合材料（V f55%） ，一般采用恒压注射，流量可随注射压力和树脂流动阻力进行调整，在保持树脂浸润的同时维持系统稳定性。2.3 恒压梢部点注射模拟（竖放）采用恒压梢部点注射时的注射口位置如图 6 所示，注射压力为 0.5MPa。图 6 工型肋的恒压梢部点注射模拟Fig.6 Point and tip injection simulation of “I” section rib with consta
11、nt pressure condition与端部注射相比，梢部点注射的注射口和溢料口位置调换。由模拟结果可看到，注射出胶时间为 7293s，这一值远超过端部注射，注射效率较低；并且，由出胶情况可看到，在端部和梢部位置都分布有浸润不完全区域，其中，端部在腹板和缘条处分布较多。相对端部注射，梢部注射的注射口位置较小，树脂流动时呈往外扩散式流动，在端部最大尺寸处压力降也同时达到最大，因此，树脂流动缓慢，出胶时间较长，端部出现浸润不完全的可能性和区域也增加。在 RTM 注射过程中，如果制件整体没有较多的复杂异型结构，一般均采用大端注射，小端溢料的方式。在以下注射模拟方案中，均采用端部注射。考虑到工型肋
12、的长度为约 600mm，注射时树脂本身的重力可能对流动造成影响，因此，设计三种树脂注射方向，考察树脂注射方向对流动的影响。2.4 工型肋的恒压端部线注射模拟（竖放）采用恒压端部线注射（竖放）时的注射口位置如图 7 所示，注射压力为 0.5MPa。图 7 工型肋的恒压端部线注射模拟（竖放）Fig.7 Line and root injection simulation of “I” section rib with constant pressure condition(vertical)由模拟结果可看到，注射出胶时间为 1541s，与端部点注射相比，出胶时间基本持平。但在端部没有出现树脂浸润不
13、完全区域，并且，在梢部位置，出现浸润问题的区域面积明显减小。由于采用线注射，在制件腹板高度方向，树脂同时向前流动， 相比端部点注射，无需从高度中点位置向两边扩散，因此可避免在缘条端部区出现树脂浸润问题。同时，在梢部区域，树脂流过缘条的时间和难度减小，使得浸润问题出现的可能性减小。2.5 工型肋的恒压端部线注射模拟（侧放）采用恒压端部线注射（侧放）时的注射口位置与上一方案相同，注射压力为 0.5MPa。模拟结果如图 8 所示。图 8 工型肋的恒压端部线注射模拟（侧放）Fig.8 Line and root injection simulation of “I” section rib with
14、constant pressure condition(side)与竖放相比，侧放的出胶时间为 2078s，注射出胶时间比竖放略长。竖放时，树脂可基本均匀沿流动方向浸润，而侧放时，由于树脂重力作用，在上下缘条的浸润会产生时间差，因此，达到溢料口的时刻不同，一般在 RTM 工艺中，若制件中某区域比其余区域先完成浸润，达到溢料口，则会造成树脂流动形成“快速流道”，影响其余区域的树脂浸润，所需时间增加，从而导致整个制件的浸润时间增加。从出胶情况看，效果与竖放基本一致，均在上下缘条梢部有少量浸润问题出现。2.6 工型肋的恒压端部线注射模拟（横放）采用恒压端部线注射（横放）时的注射口位置与上一方案相同，
15、注射压力为 0.5MPa，模拟结果如图 9 所示。图 9 工型肋的恒压端部线注射模拟（横放）Fig.9 Line and root injection simulation of “I” section rib with constant pressure condition(horizontal)采用横放方式时，出胶时间较侧放方式略长，为 2612s。从填充前锋形状和位置及压力分布结果可看到，树脂流动结果与侧放及竖放差别较小。从以上三种注射方式对比可得出结果，对于大尺寸大厚度制件，由于树脂注射时所需的树脂量较多，树脂浸润时间长，导致树脂重力造成的区域浸润时间差尤其明显，因此容易造成区域树脂浸
16、润不完全。对于小尺寸薄壁制件，所需的树脂量及树脂浸润时间较少，导致的树脂区域浸润差异较小，造成区域树脂浸润问题的可能性较小。而三种注射方式均可能出现的梢部边缘干斑，则可通过在实际制造过程中适当延长注射时间，使得树脂的富余流动能浸润可能出现的干斑区域表 3 六种注射方式对比结果Table 3 Contrast results of 6 injection simulations序号 注射方式 树脂控制方式 出胶时间 可能出现缺陷位置1 端部点注射（竖放） 恒压 1513s 端部、梢部2 端部点注射（竖放） 恒流 2311s 梢部3 梢部点注射（竖放） 恒压 7293s 端部、梢部4 端部线注射（
17、竖放） 恒压 1541s 梢部5 端部线注射（侧放） 恒压 2078s 梢部6 端部线注射（横放） 恒压 2612s 梢部综合六种注射方式对比可得出结果，如表 3 所示，端部点注射与线注射均可用于变截面工型肋的 RTM 注溢口设计，出胶及树脂浸润效果基本一致。制件注射时的摆放位置对注射效果影响较小，从出胶时间来看，竖放方式优于横放及侧放方式。为保证层间树脂浸润的均匀性，最终确定为端部线注射（竖放）为最优的注射方案。在工型肋的成型工装设计与制造中，将分别在工装的端部和梢部中点布置树脂注射口与溢料口。2.7 工型肋的工装设计及 RTM 成型在上下缘条模板对合面开单道密封槽，利用耐高温硅橡胶密封条进
18、行密封，两侧上下缘条盖板在边缘合模处设置密封槽。根据工型肋的注射模拟结果，在工装的端部和梢部分别布置注射口和溢料口；并在工装梢部位置设置密封槽，用以密封梢部盖板，工装设计如图 10。图 10 工型肋设计工装Fig.10 Tooling design of “I” section rib图 11 工型肋成型零件Fig.11 Manufacturing part of “I” section rib完成工型肋预成型体装模后，连接注射管路，模具置入烘箱进行加热，将模具竖直放置，分别在端部和梢部布置测温热电偶，将模具温度升至 90，再将 RTM 注射机与模具相连，树脂加热至 90时开始注射，设定注射压力为 0.5MPa，待溢料口树脂出胶后继续注射，直至溢料口处树脂无气泡。实际测得出胶时间为 1800s 左右，与模拟结果 1541s 基本吻合。完成注射后，关闭注射口及溢料口处阀门，模具升至 180，保温 2h 后关闭烘箱，待模具冷却至 60以下对工型肋进行脱模，机加，无损检测等处理。采用 RTM 成型变截面工型肋如图 11 所示。经目测，制件表面光滑，没有贫胶及干斑等缺陷出现，说明在成型过程中，工艺参数的选择正确，注射口及溢料口位置选择适当。采用无损 A 扫描对内部质量进行检测，检测结果表明内部无宏观缺陷产生。
