薄板件真空模壓成型過程的仿真研究

劉 誠，徐振鋒，花 軍，吳 昊(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

真空模壓成型是利用真空壓力將熱固性樹脂吸入預(yù)抽真空的模具內(nèi)，并促使樹脂在纖維增強(qiáng)體中滲透流動(dòng)，最后固化成為復(fù)合材料的一種工藝，該工藝在航空工業(yè)、汽車制造、船舶制造等方面具有廣闊應(yīng)用價(jià)值。我國亞麻纖維資源豐富，可充分利用亞麻纖維作為真空模壓工藝過程中增強(qiáng)材料，以促進(jìn)可再生資源的利用和降低制品成本。在真空模壓成型過程中，滲透率是計(jì)算機(jī)模擬真空模壓成型過程的重要參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)法測得其滲透率值，然后利用液體模塑成型仿真軟件PAM－RTM模擬樹脂充模過程，探索真空壓力和溫度對充模時(shí)間的影響規(guī)律［1］，避免了大量的工藝試驗(yàn)，對于節(jié)約原料成本、縮短試驗(yàn)周期和模具設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 滲透率測量

1.1 滲透率計(jì)算 亞麻纖維是一種多孔性滲透性材料，關(guān)于樹脂在其孔隙中的滲透過程可以用經(jīng)驗(yàn)公式Darcy定律來描述［2］。亞麻纖維滲透率的計(jì)算可以采用流動(dòng)前沿測量法，一般假設(shè)真空壓力或者樹脂流動(dòng)速率是恒定常量，在恒壓條件下有如下方程式:

其中，qx—x方向上的滲透流量;

Sx—x方向上的滲透率;

η—樹脂粘度;

此外，滲透流量與樹脂流動(dòng)前沿速度之間有如下關(guān)系式:

其中，vx—樹脂流動(dòng)前沿的速度;

φ—纖維的孔隙率;

t—與流動(dòng)前沿相對應(yīng)的時(shí)間。

由上述(1)和(2)得:

其中，p0—大氣壓力;

pflowfront—樹脂流動(dòng)前沿的壓力;

對(3)進(jìn)行積分得:

對(4)進(jìn)一步變換得滲透率:

1.2 滲透率試驗(yàn) 試驗(yàn)材料:在60℃恒溫水浴中經(jīng)過質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氫氧化鈉溶液浸泡預(yù)處理3 h［3］的亞麻布;環(huán)氧樹脂EPOLAM5015和固化劑EPOLAM5014(均由沈陽科拉斯提供)。

試驗(yàn)設(shè)備:模具、加熱器、XD－40真空泵、DHG101烘干箱、樹脂罐、真空輔材、攝像機(jī)。

試驗(yàn)內(nèi)容:在室溫(25.4 ±0.1)℃和真空壓力0.8E+5Pa的條件下，7層亞麻布(0.3 m×0.4 m)層疊鋪設(shè)，并分別在上面鋪設(shè)脫模布和導(dǎo)流網(wǎng)，采用流動(dòng)前沿測量法測單向流動(dòng)滲透率值，用攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過程［4］。觀察錄像，記錄樹脂流動(dòng)前沿位置與對應(yīng)的時(shí)間(表1)。

表1 樹脂流動(dòng)前沿位置x與時(shí)間t對應(yīng)關(guān)系

利用表1中的數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖并作x2－t的擬合直線(圖1)。

圖1 流動(dòng)前沿法測亞麻布縱向滲透率的x2－t擬合直線

將x2－t擬合直線的斜率、樹脂的粘度、亞麻布的孔隙率、真空壓力值、大氣壓值帶入公式(5)中，即可計(jì)算出亞麻布滲透率的值為1.167 ×10－9m2。

2 仿真過程及結(jié)果分析

2.1 模型的建立 將Solidworks建立的薄板件模型，生成.IGS格式文件，然后導(dǎo)入Gemesh網(wǎng)格劃分軟件建立薄板件的有限元模型［5－8］。模型平面尺寸為 0.3 m ×0.4 m，有限元單元網(wǎng)格數(shù)為8 596，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 439。將薄板件有限元模型導(dǎo)入PAM-RTM軟件模擬樹脂壓力場和充模時(shí)間，設(shè)置樹脂注射邊和樹脂出口(圖2)。

圖2 平面模型(0.3 m×0.4 m)及樹脂注射邊和樹脂出口

2.2 參數(shù)確定 在PAM-RTM中通過輸入各項(xiàng)參數(shù)(亞麻布尺寸0.3 m ×0.4 m，面密度 0.56 kg/m2，平均密度 3 700 kg/m3，孔隙率83.02%，滲透率 1.167 ×10－9m2)，以及樹脂的粘度 0.225 Pa·s、密度 1.12 g/cm3，室溫 25.4 ℃，大氣壓1.01E+5Pa，仿真真空模壓成型過程中13組不同真空壓力和溫度條件下的樹脂流動(dòng)充模的過程。

2.3 仿真結(jié)果 常溫(25.4±0.1)℃的真空壓力對應(yīng)的充模時(shí)間(s)仿真，如圖3所示。恒定0.80E+5 Pa真空壓力下的溫度(℃)與充模時(shí)間(s)對應(yīng)的仿真，如圖4所示。

圖3 真空壓力與充模時(shí)間對應(yīng)關(guān)系

圖4 溫度與充模時(shí)間對應(yīng)關(guān)系

由圖3可以得出溫度一定時(shí)，充模時(shí)間隨著真空壓力值遞增而呈線性遞減趨勢，這表明增大真空壓力可有效縮短充模時(shí)間，但實(shí)際生產(chǎn)過程中不可能無限提高真空壓力(不能達(dá)到絕對真空)。由圖4可以得出真空壓力一定時(shí)，充模時(shí)間隨著溫度的線性遞增而呈遞減趨勢，但當(dāng)溫度在45℃的時(shí)候，充模時(shí)間趨于穩(wěn)定，這表明適當(dāng)提高模具的溫度可有效縮短充模時(shí)間，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，充模時(shí)間不再發(fā)生變化。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在溫度45℃、真空壓力0.80E+5 Pa條件下仿真的壓力場分布和充模時(shí)間，如圖5所示。

圖5 壓力場分布與充模時(shí)間

為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果的可靠性，選擇在同樣溫度45℃、真空壓力0.08 MPa條件下進(jìn)行薄板件的試驗(yàn)成型過程。試驗(yàn)過程與仿真過程對比(圖6)，整個(gè)試驗(yàn)充模時(shí)間約為81 s，與仿真充模時(shí)間78 s之間存在誤差，誤差率為3.70%。

圖6 相同參數(shù)下試驗(yàn)過程與仿真過程對比

試驗(yàn)充模時(shí)間大于仿真充模時(shí)間的主要原因在于:仿真過程假設(shè)亞麻布等滲透率，但實(shí)際上由于亞麻纖維的非均勻性，亞麻布的滲透率并不是恒定常數(shù);模具受熱不均勻?qū)е略囼?yàn)過程的平均溫度小于仿真輸入的溫度值，使試驗(yàn)過程中的樹脂粘度高于仿真時(shí)的樹脂粘度，樹脂流動(dòng)減慢，充模時(shí)間增長。

實(shí)驗(yàn)充模時(shí)間大于仿真結(jié)果的主要原因在于仿真時(shí)假設(shè)亞麻布為均質(zhì)實(shí)體，其滲透率為恒定值，與實(shí)驗(yàn)客觀條件存在一定偏差。此外，由于受熱不均勻?qū)е聦?shí)驗(yàn)過程中模具的平均溫度小于仿真時(shí)輸入的溫度值，使樹脂粘度高于仿真時(shí)的樹脂粘度，樹脂流動(dòng)減慢，充模時(shí)間增長。

上述試驗(yàn)薄板件(圖7)，在CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上參照GB/T9341－2000進(jìn)行拉伸性能和參照GB/T1040－92進(jìn)行彎曲性能測試，測得7層亞麻布增強(qiáng)材料的拉伸強(qiáng)度為56.71 MPa，彎曲強(qiáng)度為117.57 MPa，彎曲模量為3 105.17 MPa。

圖7 試驗(yàn)薄板件

4 結(jié)論

該文利用液體模塑成型仿真軟件PAM-RTM對真空模壓成型過程進(jìn)行仿真，獲得了真空壓力和溫度對充模時(shí)間的影響規(guī)律，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，該方法對于實(shí)際生產(chǎn)過程中優(yōu)化工藝參數(shù)、合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)具有一定的指導(dǎo)意義。在試驗(yàn)中測量了亞麻纖維布真空模壓成型薄板件的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，試驗(yàn)獲得的亞麻布增強(qiáng)復(fù)合材料薄板件力學(xué)性能較好，能夠滿足一定的使用要求，這對于擴(kuò)大天然纖維的用途，充分發(fā)揮天然纖維來源廣、價(jià)格低、可再生、可降解等方面的優(yōu)勢［9－10］，開發(fā)綠色、環(huán)保的產(chǎn)品具有重要意義。

［1］KEDARI V R，F(xiàn)ARAH B I，HSIAO K T.Effects of vacuum pressure，inlet pressure，and mold temperature on the void content，volume fraction of polyester/e-glass fiber composites manufactured with VARTM process［J］.Journal of Composite Materials，2011，45(26):2727 －2742.

［2］SONG X.Vacuum assisted resin transfer molding(VARTM):model development and verification［D］.Virginia Polytechnic Institute and State U-niversity，2003.

［3］ISHIKAWA H，TAKAGI H，NAKAGAITO A N，et al.Effect of surface treatments on the mechanical properties of natural fiber textile composites made by VaRTM method［J］.Composite Interfaces，2014，21(4):329 －336.

［4］張曼曼.真空輔助樹脂注射成型技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與模擬研究［D］.上海:東華大學(xué)，2014.

［5］趙渠森，趙攀峰.真空輔助成型工藝(VARI)研究［J］.纖維復(fù)合材料，2002(1):42 －46.

［6］魏俊偉，張興剛，郭萬濤.典型夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料VARI工藝成型仿真計(jì)算研究［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2013(5):71－78.

［7］劉強(qiáng)，趙龍，黃峰，等.仿真軟件在航空典型結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究［J］.材料工程，2007(S1):202 －206.

［8］縱海，蘇躍增，俞煒，等.典型曲面構(gòu)件的VARI工藝模擬分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2010(11):156－159.

［9］王瑞，張梅，王廣峰，等.亞麻纖維氈增強(qiáng)復(fù)合材料及其性能分析［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(4):5－7.

［10］張晨夕，王偉宏，王清文.麻纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的加工方法［J］.木材工業(yè)，2011(5):24－27.