基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝的數(shù)值模擬.pdf

1、樹(shù)脂基復(fù)合材料具有重量輕、結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)、耐腐蝕和可降低噪音等特點(diǎn),越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、汽車、建筑、造船、體育用品、航天航空及醫(yī)療器件等領(lǐng)域。樹(shù)脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding,簡(jiǎn)稱RTM)是制造樹(shù)脂基復(fù)合材料的一種主要的成型技術(shù),是材料工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。RTM成型過(guò)程的數(shù)值模擬,能夠用于預(yù)測(cè)成型過(guò)程中樹(shù)脂的流動(dòng)和固化,優(yōu)化成型工藝參數(shù)和周期,從而減少工藝試驗(yàn)、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率。因

2、此,成型過(guò)程的數(shù)值模擬是RTM成型技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向。
　　 隨著RTM技術(shù)的廣泛應(yīng)用,成型工件的形狀越來(lái)越復(fù)雜,采用規(guī)則的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格建立數(shù)值模型將遇到很大的困難,而采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格建模則十分方便。但目前基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的RTM成型過(guò)程的數(shù)值模擬方法的研究尚不夠充分。因此,本文建立基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的三維控制體計(jì)算方案,推導(dǎo)了RTM成型過(guò)程數(shù)值模擬的三維控制體/有限元法列式,系統(tǒng)地研究了成型過(guò)程的等溫和非等溫模擬的基本算

3、法,提出了控制體公共界面上的交叉擴(kuò)散項(xiàng)的處理方法,并進(jìn)行了算例驗(yàn)證。
　　 在RTM樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)從模腔壁到樹(shù)脂的熱傳遞速度大于充模速度,則可以忽略溫度變化和化學(xué)反應(yīng)的影響,將樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程近似地視為等溫的。這種模型雖然模擬精度稍低,但計(jì)算效率高,能預(yù)測(cè)樹(shù)脂流動(dòng)模式以及可能產(chǎn)生的氣泡、干斑等缺陷。本文建立了模擬RTM樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程的等溫模型的數(shù)值算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜形狀的工件的三維等溫?cái)?shù)值模擬,通過(guò)算例驗(yàn)證了模型的正確性,研究了增

4、強(qiáng)體滲透率、樹(shù)脂黏度、注射壓力以及注射孔位置等因素對(duì)成型過(guò)程的影響。
　　 實(shí)際的RTM成型包括樹(shù)脂流動(dòng)和固化兩個(gè)階段,模具型腔內(nèi)的溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)是隨時(shí)間變化的,只有采用RTM工藝全周期非等溫模型才能得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。本文同時(shí)考慮能量方程和化學(xué)反應(yīng)方程來(lái)計(jì)算溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng),建立了模擬RTM工藝全周期的非等溫模型的數(shù)值算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜形狀工件的三維非等溫模擬,通過(guò)算例驗(yàn)證了模型的正確性,分析了纖維孔隙率、樹(shù)脂反應(yīng)熱、樹(shù)脂注

5、入溫度和流量、樹(shù)脂和纖維的整體熱傳導(dǎo)率等因素對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)階段以及固化階段的影響。分析結(jié)果對(duì)于確定合適的注射孔和排氣孔位置,校核模具的剛度和設(shè)備能力,優(yōu)化模具熱力設(shè)計(jì),評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。
　　 在能量方程的離散過(guò)程時(shí),常忽略控制體公共界面上的交叉擴(kuò)散項(xiàng)。當(dāng)采用規(guī)則的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí),節(jié)點(diǎn)連線與控制體表面近似正交,因此這樣處理不會(huì)引起明顯的誤差,但是當(dāng)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí),節(jié)點(diǎn)連線與控制體表面間難以正交,則會(huì)出現(xiàn)較大誤差。針對(duì)這個(gè)問(wèn)