【摘要】：樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑(Resin Transfer Moulding)成型是一種將樹(shù)脂充入鋪放好的纖維預(yù)成形體中,并在一定條件下固化成型的先進(jìn)復(fù)合材料成型技術(shù)。該技術(shù)因其成本低,操作環(huán)境好,適合大型結(jié)構(gòu)件整體成型等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、汽車(chē)制造、鐵路系統(tǒng)和船舶等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。但是在RTM充模過(guò)程中,由于影響樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維過(guò)程的參數(shù)眾多,一旦控制不當(dāng),成型出的零件容易出現(xiàn)干斑、氣泡等成型缺陷。為了選擇合適的工藝參數(shù),控制充模過(guò)程中的缺陷產(chǎn)生,本文分析了樹(shù)脂在RTM工藝中的流動(dòng)行為,建立了氣液兩相流數(shù)學(xué)模型,并基于該模型優(yōu)化了RTM多孔注射過(guò)程中的工藝參數(shù),此外還對(duì)干斑、氣泡的預(yù)測(cè)與控制進(jìn)行了深入分析。具體研究工作如下:(1)分析了樹(shù)脂在纖維預(yù)成型體中的流動(dòng)過(guò)程,基于Darcy定律和質(zhì)量守恒方程并結(jié)合Navier-Stokes方程,建立了RTM充模過(guò)程氣液兩相流模型,然后采用VOF方法追蹤樹(shù)脂的流動(dòng)前沿,同時(shí)結(jié)合PLIC界面重構(gòu)方法構(gòu)造兩相界面,最終實(shí)現(xiàn)了RTM充模過(guò)程的仿真。為了證明上述數(shù)值模擬方法的正確性,將平板模型的一維和二維充模流動(dòng)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者的樹(shù)脂流動(dòng)前沿基本吻合,從而證明了本文數(shù)值模擬方法的正確性。(2)基于RTM充模過(guò)程的模擬分析了干斑和氣泡缺陷的形成與預(yù)測(cè)。首先闡述了干斑的形成和演變機(jī)理,模擬了存在邊緣效應(yīng)時(shí)干斑的形成過(guò)程,并研究了當(dāng)纖維預(yù)成型體滲透率不均勻時(shí),局部滲透率的大小對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)的影響和對(duì)充模時(shí)間的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)局部滲透率小于一個(gè)臨界值時(shí)會(huì)形成干斑,充模時(shí)間也急劇增大。通過(guò)模擬進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變注射口和排氣口的位置可以有效地控制干斑缺陷的形成。然后,分析了氣泡的形成機(jī)理,在宏觀(guān)氣泡和微觀(guān)氣泡的含量與樹(shù)脂流速之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過(guò)模擬得到制件最終的氣泡含量。(3)以三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,對(duì)多孔注射RTM中的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)合已有的研究提出了一種評(píng)價(jià)注射口和排氣口方案合理性的工藝性能指標(biāo),并利用該指標(biāo)對(duì)七組不同的注射方案進(jìn)行仿真后的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),得到最優(yōu)的注射口和排氣口方案。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了注射壓力和注射方式對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)情況的影響,最終得到了一條先恒流后恒壓注射的注射壓力曲線(xiàn)為最優(yōu)注射方案。
【圖文】：

樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑充模過(guò)程注射參數(shù)優(yōu)化與缺陷預(yù)測(cè)研究合材料制造計(jì)劃，其中都將 RTM 列為重點(diǎn)成型技術(shù)。從此，RTM 成型技術(shù)開(kāi)始迅速發(fā)展，并被大量地運(yùn)用于航空結(jié)構(gòu)件的成型制造，如圖 1.1 所示。國(guó)內(nèi) RTM 技術(shù)由于缺乏設(shè)計(jì)、制造和使用方面的經(jīng)驗(yàn)而開(kāi)展的較晚，為促進(jìn)國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域復(fù)合材料的發(fā)展，國(guó)內(nèi)于 2000 年前后開(kāi)展了一系列復(fù)合材料高新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目。其中，“中國(guó)制造 2025”概念中明確將“新材料、航空材料”列為重點(diǎn)突破的發(fā)展領(lǐng)域，“大飛機(jī)計(jì)劃”、“兩機(jī)專(zhuān)項(xiàng)”計(jì)劃提出要實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的減重與增效，并發(fā)展低成本 LCM（Liquid Composite Molding）計(jì)劃以及整體結(jié)構(gòu)成型技術(shù)。截止目前，RTM 成型工藝已在我國(guó)的航空航天領(lǐng)域有了成功的應(yīng)用。

圖 1.2 RTM 的工藝流程和傳統(tǒng)的熱壓罐成型工藝相比，RTM 成型工藝的優(yōu)點(diǎn)主要有[11]：1、不需要設(shè)計(jì)建造大型的熱壓罐設(shè)備，減少了樹(shù)脂固化時(shí)耗費(fèi)的能量。2、成型出的零件尺寸不受熱壓罐尺寸的限制，適合大型結(jié)構(gòu)件的整體成型；3、熱壓罐成型工藝采用的纖維是存儲(chǔ)要求較高的預(yù)浸料，而 RTM 成型工藝采用的干大減少了預(yù)浸料的存放成本；4、RTM 成型工藝采用的閉模樹(shù)脂注入方式避免了人工操作時(shí)樹(shù)脂中含有的苯乙烯等對(duì)人體的傷害；5、RTM 成型工藝的溫度、壓力條件相對(duì)較低，因此該工藝降低了成型模具的設(shè)計(jì)要了模具成本。綜上所述，RTM 及其衍生工藝由于具備以上多種優(yōu)勢(shì)逐漸成為了 21 世紀(jì)降低復(fù)合材本的關(guān)鍵技術(shù)。為了使 RTM 工藝能夠進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，研發(fā)人員不斷改進(jìn)復(fù)型技術(shù)以適用市場(chǎng)需求，，其中衍生出一系列新的技術(shù)，包括 MIT-RTM(Multiple InsertM)、HP-RTM（High Pressure RTM），等等。MIT-RTM是英國(guó)上世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)一種高效的RTM技術(shù)。MIT-RTM技術(shù)是將原本在
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TQ320.662

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本文編號(hào)：2617290