泡沫芯結(jié)構(gòu)VARI 工藝樹脂滲透行為研究

李祎燊，閆 超，王宇寧，郭俊剛，李玉軍，蔡冠雄

（1.中航飛機股份有限公司，陜西 西安 710089；2.西北工業(yè)大學 機電學院，陜西 西安 710072）

1 緒言

相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料，先進復合材料具有比強度高、比模量大、可設(shè)計性強、耐腐蝕以及便于整體成型等一系列優(yōu)點，是輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)設(shè)計最理想的材料[1]。近年來，隨著先進復合材料制造技術(shù)的發(fā)展，復合材料的應(yīng)用也越來越多，尤其在民機領(lǐng)域，例如波音和空客研發(fā)的最新機型B787 與A350，其復合材料的結(jié)構(gòu)重量已經(jīng)超過50%[2，3]。復合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)由于其輕質(zhì)高強的特點，已被廣泛應(yīng)用于各飛機型號研制中，其結(jié)構(gòu)也逐步向著超厚尺寸、變曲率方向發(fā)展。相較于熱壓罐工藝，液體成型工藝為低壓成型，能有效避免泡沫芯收縮、壓塌等現(xiàn)象，可保證織物與泡沫芯有效粘接，避免空隙等無損問題，整個工藝具有較明顯的成本優(yōu)勢和質(zhì)量優(yōu)勢[4]。

VARI 工藝（真空輔助成型技術(shù)，VARI-Vacuum Assisted Resin Infusion）是在RTM工藝上發(fā)展而來，是一種新的低成本復合材料成型技術(shù)。VARI 工藝采用單面模具，用真空袋密封纖維增強材料，利用真空排除纖維增強材料中的空氣，通過樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)樹脂對纖維增強材料的浸漬，并利用烘箱等非熱壓罐固化設(shè)備進行固化[5-6]。相較于RTM工藝，VARI 工藝為低壓成型，可有效避免壓力不足或壓力過大造成的空隙超標，泡沫芯損傷等缺陷，同時因固化壓力小，產(chǎn)品最終變形量也相對較小，對于保證零件成型精度極為有利，目前已逐步應(yīng)用于各類復合材料泡沫夾芯壁板的生產(chǎn)。

VARI 工藝采用單面模具，零件一側(cè)與模具貼合，另一側(cè)與真空袋貼合。為了保證樹脂浸潤效果及浸潤速度，VARI 工藝常在零件靠袋面鋪放導流網(wǎng)，以保證零件上蒙皮與泡沫芯上表面有較好的結(jié)合效果；而復材零件所用泡沫芯均為閉孔聚酰亞胺材料，樹脂無法沿泡沫芯厚度方向滲透。為了保證零件貼模面的氣動外形面要求，貼模面無法鋪放導流網(wǎng)，整個零件芯下層缺少有效的導流措施，樹脂滲透難度大，易形成各類質(zhì)量缺陷，因此需對泡沫芯采取開槽、開孔等處理措施，提高芯下層樹脂滲透速度，保證樹脂能充分浸潤整個泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。但開孔或者槽的尺寸大小、槽的位置、間距等參數(shù)的確定，僅靠工藝人員的經(jīng)驗和試驗則會拉長產(chǎn)品研制周期，浪費人力、物力和財力。

近年來，隨著數(shù)值仿真技術(shù)的普及與應(yīng)用，采用仿真計算的方法確定VARI 成型工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)越來越受到人們重視，該方法可以在較短的時間內(nèi)得到不同工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)對VARI 成型質(zhì)量的影響，從而指導實際工藝過程，大幅度降低工藝成本[7-9]。本文正是基于數(shù)值模擬仿真方法，針對泡沫結(jié)構(gòu)VARI 工藝樹脂浸潤過程進行仿真和實驗研究，借助PAM-RTM仿真軟件，研究泡沫芯不同處理措施下的VARI 樹脂滲透過程，得到不同處理方式下的樹脂浸潤結(jié)果，從而確定更為合理的泡沫芯處理方式。同時，借助典型泡沫芯滲透試驗進行模型驗證，為VARI 工藝在泡沫夾層類制件的工程化應(yīng)用推廣提供參考。

2 VARI 成型數(shù)學模型

復合材料VARI 工藝充模過程是一個復雜的物理化學變化過程，在模擬仿真時需要做出一些假設(shè)從而減小建模工作量，提升計算效率：①樹脂反應(yīng)中會有放熱現(xiàn)象發(fā)生，從而引起模具溫度和樹脂黏度的變化等?？紤]到充模時間較短以及樹脂化學反應(yīng)較為緩慢，因此本研究中不考慮樹脂的化學反應(yīng)放熱；②纖維增強體表示為剛體，不隨樹脂的流動而變形，而充模時的壓力較小，可將樹脂看作不可壓縮的牛頓流體，且纖維和樹脂之間無質(zhì)量交換；③相較于樹脂流動的驅(qū)動力，表面張力很小，同時忽略模腔壁的阻力[10]。

在VARI 成型工藝過程中，樹脂在模腔內(nèi)的流動可視為牛頓流體在多孔介質(zhì)中的流動，而各向異性多孔介質(zhì)中流體的滲流可以用達西定律表示：

對于不可壓縮流體，其連續(xù)方程可以表示為：

在x 方向的入口處邊界，通常為恒壓或者恒速，該方向的流動方程可以表示為：

式中：Q 為體積流率，h 和w 表示纖維織物的厚度和寬度。不考慮流體的均勻性的情況上，上述公式可以簡化為：

式中：A 表示試樣的橫截面積m2。

3 試驗結(jié)果與仿真比較

3.1 VARI 成型試驗方案

VARI 成型試驗件所用主材料為Toolfusion-3 環(huán)氧樹脂，該樹脂為雙組份環(huán)氧樹脂體系，樹脂（Part A）與固化劑（Part B）的比例為100:85，AIRTECH 公司。泡沫芯為Cascell 75WH-HT-δ25mm 剛性泡沫塑料，中科恒泰公司。

機加工1 塊400mm×200mm 泡沫芯，在泡沫芯的前100mm 長度方向上，每隔25mm×25mm 沿泡沫芯厚度方向開1mm 的通孔，在剩余長度方向上，一半沿長度方向每隔25mm 開1mm 深×1mm 寬的單向槽，一半沿長度及寬度方向每隔25mm×25mm 開1mm 深×1mm 寬的十字槽。按VARI 工藝放置其余輔助材料，并在上表面1/3 位置處放置導流網(wǎng)，同時布置注膠口及出膠口，在透明玻璃板上制真空袋，將Toolfusion-3 注入泡沫芯中，觀察并記錄泡沫芯樹脂滲透過程，如圖1 所示。

圖1 泡沫芯浸潤驗證試驗

3.2 VARI 成型仿真過程

本文使用的仿真軟件為PAM-RTM，該軟件對于液體成型仿真極為適用，可以仿真分析VARI 成型中注膠口和溢口的位置及數(shù)量，預測樹脂在預制體中的流動狀態(tài)，以及注膠時間和注膠壓力等[11]。借助PAM-RTM仿真分析軟件，構(gòu)建泡沫芯VARI 工藝樹脂滲透模型，對照實際泡沫芯試驗件，分別對泡沫芯模型做開孔、開十字槽、單向槽處理。采用NDJ-8S 旋轉(zhuǎn)式數(shù)顯粘度計實驗裝置進行樹脂黏度的測試，測試其黏度為160Pa·s，并將該實驗結(jié)果輸入到仿真軟件中。為了可以準確捕捉到樹脂沿泡沫芯的流動過程，仿真模型采用三角形網(wǎng)格進行單元劃分，同時需要將網(wǎng)格細化，其中網(wǎng)格數(shù)量為498246，節(jié)點數(shù)為499894，如圖2 所示。將設(shè)置好邊界條件和材料參數(shù)的模型進行計算，觀察仿真結(jié)果并記錄，分析不同泡沫芯處理方式對樹脂浸潤過程的影響。

圖2 泡沫芯樹脂浸潤仿真模型

3.3 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析

3.3.1 注膠-開孔泡沫芯階段

對泡沫芯采取開孔處理等同于在泡沫芯上下表面搭建了多個沿厚度方向的樹脂流道，沿導流網(wǎng)流經(jīng)上表面的樹脂也可通過泡沫芯上的小孔沿厚度方向向下浸潤，如圖3 所示。每處通過小孔達到泡沫芯下表面的樹脂均可看作在下表面內(nèi)部新增了多個小的點注口，如圖3a 所示。這些點注口樹脂成圓狀向四周浸潤擴散匯集，形成均勻的流動前鋒向前浸潤，如圖3b 所示，可以看到僅通過5min，樹脂便可以在開孔泡沫芯上長度方向上浸潤10cm。開孔處理方式有效借助了泡沫芯上導流網(wǎng)的滲流效果，進一步提高了整個泡沫芯結(jié)構(gòu)樹脂浸潤速度，并且樹脂的流動前沿分布非常均勻。

圖3 開孔泡沫芯下表面樹脂浸潤過程試驗與仿真結(jié)果

3.3.2 注膠-開槽泡沫芯階段

對泡沫芯采取開槽處理時，樹脂無法沿著泡沫芯厚度方向流動，但泡沫芯上新增的這些細小的槽可視作多個快速流道，如圖4 所示。對單向槽而言，樹脂在浸潤時率先沿著單向槽向前快速浸潤后，槽內(nèi)樹脂再向兩側(cè)逐步浸潤滿整個泡沫芯下表面，樹脂流動前鋒呈現(xiàn)“山”字狀，貼模面一側(cè)樹脂流動速度顯著提升；采用十字槽時，樹脂也能沿開槽后形成的快速流道向前浸潤，但樹脂流動方向垂直的橫向槽對樹脂流動起到了分流作用，樹脂流動前鋒呈現(xiàn)“十”字狀，在縱橫交錯的快速流道作用下，樹脂率先形成多個“口”字型的小的樹脂包裹區(qū)域，口型包裹區(qū)先沿著四周的十字槽浸潤后再向口型區(qū)中間位置逐步浸潤?？梢钥吹?，數(shù)值仿真的結(jié)果與試驗結(jié)果非常接近。但相較與單向槽，兩種處理方式下貼模面一側(cè)樹脂流動前沿速度基本一致，即十字槽一側(cè)樹脂抵達出膠口位置的時間與開單向槽泡沫芯一致，但十字槽區(qū)仍存在較多未滲滿的口型包裹區(qū)，與同側(cè)單向槽相比，泡沫芯樹脂浸潤程度較差，隨著時間延長，單向槽區(qū)泡沫芯已全被樹脂浸潤，而十字槽區(qū)仍存在部分未滲滿區(qū)域，且十字槽泡沫芯區(qū)域起始位置段所形成的口型區(qū)中間樹脂浸潤后的顏色較淺，樹脂浸潤不充分，最終樹脂浸潤滿整個泡沫芯所需時間明顯久于單向槽結(jié)構(gòu)。

圖4 開槽泡沫芯下表面樹脂浸潤過程

由上述比較可以看出，相較于開槽工藝，開孔工藝有效連通泡沫上下表面樹脂滲透過程，而開槽工藝則僅是在泡沫芯底面構(gòu)建了多條快速通道，依靠快速流道對樹脂的導向作用實現(xiàn)樹脂滲透。開孔工藝所形成的多個點注口數(shù)量多，點注口向四周呈橢圓擴散覆蓋面更快更廣，整個樹脂流動前沿更為均勻，最終體現(xiàn)為開槽工藝樹脂滲透速度略慢于開孔工藝。實際浸潤過程中，浸潤100mm 的泡沫芯，開孔后所需時間僅為5min，而對應(yīng)的單向槽和十字槽分別需要7min 和9min 的時間，開孔工藝的效率明顯高于單向槽和十字槽工藝。

4 結(jié)論

本文以泡沫夾層結(jié)構(gòu)為研究對象，借助PAM-RTM軟件完成開孔、開單向槽和開十字槽三種泡沫芯處理方式下的VARI 工藝樹脂浸潤仿真分析，并結(jié)合泡沫芯樹脂浸潤試驗進行比對驗證，得到以下結(jié)論：

（1）對泡沫芯進行開孔或開槽處理均可有效提高VARI 工藝樹脂浸潤泡沫芯時，芯下層樹脂浸潤速度，保證芯下層樹脂浸潤充分，避免干斑等缺陷產(chǎn)生；

（2）三種處理方案中，泡沫芯開孔方案對樹脂浸潤速度提升最為明顯，且樹脂流動前鋒更為均勻，能有效保證泡沫芯樹脂滲透效果。開槽方案選擇沿樹脂浸潤方向開單向槽，樹脂流動前鋒呈山字狀，樹脂浸潤速度雖略慢于開孔方案，但仍可充分浸潤滿泡沫芯結(jié)構(gòu)；

（3）實際泡沫夾芯類零件制造時，需結(jié)合泡沫芯采取開槽或開孔處理方案，控制泡沫芯靠袋面一側(cè)導流網(wǎng)鋪放大小，盡量保證泡沫芯芯上芯下樹脂流動狀態(tài)趨于一致，可提高泡沫夾芯結(jié)構(gòu)樹脂浸潤效果及內(nèi)部質(zhì)量；

（4）樹脂浸潤過程仿真與實際注膠結(jié)果仍存在一定差距，為了進一步提高樹脂浸潤過程仿真的準確性，仍需通過大量實驗積累不同材料、不同角度鋪層的纖維滲透率等相關(guān)參數(shù)。