纖維復(fù)合材料預(yù)制件滲透率的結(jié)構(gòu)相關(guān)性建模.pdf

1、20世紀(jì)中期出現(xiàn)的聚合物基復(fù)合材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐疲勞、多功能、易成型等多方面的性能優(yōu)勢(shì)，在航空航天、交通運(yùn)輸、建筑化工、機(jī)械制造、體育軍械等行業(yè)或領(lǐng)域得到廣泛而深入的應(yīng)用。近年來(lái)，在“大型飛機(jī)”國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)和材料技術(shù)“結(jié)構(gòu)功能復(fù)合化”發(fā)展趨勢(shì)的大背景下，樹(shù)脂傳遞模塑工藝（ResinTransfer Molding，簡(jiǎn)稱(chēng)RTM）作為復(fù)合材料先進(jìn)制備技術(shù)之一，因其整體化、低成本、凈尺寸的制造優(yōu)勢(shì)而受到人們的普遍重視，極具應(yīng)用前景。但在其

2、制品中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)干斑、孔隙等浸潤(rùn)缺陷，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。
　　 RTM制品中浸潤(rùn)缺陷的形成和纖維預(yù)制件的滲透性能密切相關(guān)。作為表征纖維預(yù)制件滲透性能的物理量，滲透率是其重要性能參數(shù)之一，是計(jì)算分析流體在預(yù)制件中的浸潤(rùn)行為，進(jìn)而預(yù)測(cè)浸潤(rùn)缺陷形成與分布所不可或缺的關(guān)鍵參數(shù)。它是由纖維預(yù)制件結(jié)構(gòu)決定的函數(shù)。因此，探索預(yù)制件滲透率與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)性，建立描述兩者之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，具有重要的理論意義和巨大的應(yīng)用價(jià)值：既能揭示纖

3、維預(yù)制件結(jié)構(gòu)-滲透性能之間的定量關(guān)系；又可以據(jù)此計(jì)算分析樹(shù)脂在預(yù)制件中的浸潤(rùn)行為，預(yù)測(cè)充模時(shí)間和制品缺陷的形成與分布，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率、改善復(fù)合材料制品的質(zhì)量和性能；還可以用來(lái)指導(dǎo)纖維預(yù)制件的設(shè)計(jì)、制備和使用，充分發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)。
　　 本文首先研究綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異、在實(shí)際中廣泛使用的無(wú)彎曲織物(NonCrimp Fabrics，簡(jiǎn)稱(chēng)NCF)預(yù)制件的滲透率。通過(guò)分析NCF的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了反映其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的單胞模型，應(yīng)

4、用流體在纖維束內(nèi)部和纖維束之間的耦合流動(dòng)模型描述了樹(shù)脂在預(yù)制件中的流動(dòng)行為，結(jié)合Darcy定律，建立了NCF滲透率的數(shù)值計(jì)算模型并進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用該模型研究了NCF滲透率與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性，并結(jié)合局部靈敏度分析方法討論了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滲透率的影響程度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）NCF滲透率隨纖維束滲透率的增加而增加，但纖維束滲透率對(duì)NCF滲透率影響程度較??；2）NCF滲透率隨著纖維束寬度的增加而減小，隨著纖維束高度的增加而增大，隨著纖維

5、束橢圓形邊緣長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度的增加而增大，三者對(duì)NCF滲透率影響都比較明顯；3）NCF滲透率隨著纖維束之間距離的增大而增大，它對(duì)滲透率大小的影響非常明顯；4）NCF滲透率隨縫線(xiàn)半徑的增大而減小，而且在纖維束之間距離較大時(shí)減小的程度相對(duì)較大，但總的來(lái)說(shuō)縫線(xiàn)尺寸的變化對(duì)NCF滲透率的影響程度較??；5）NCF滲透率隨法向壓縮程度的增大而減小，且減小的幅度很大，即NCF法向壓縮程度對(duì)其滲透率的影響非常顯著。
　　 在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上，對(duì)NCF

6、的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，應(yīng)用理論分析方法推導(dǎo)出兩個(gè)不同的滲透率計(jì)算模型。其中一個(gè)模型基于對(duì)Stokes方程（描述樹(shù)脂在纖維束之間空隙中的流動(dòng)行為）的解析求解，記為模型Ⅰ；另外一個(gè)模型基于微管流動(dòng)Poiseuille數(shù)的計(jì)算公式，記為模型Ⅱ。通過(guò)模型Ⅰ、Ⅱ以及數(shù)值計(jì)算模型之間的比較分析，發(fā)現(xiàn)由于在推導(dǎo)模型Ⅰ的過(guò)程中忽略了纖維束形狀對(duì)NCF滲透率的影響，其結(jié)果不太合理，而模型Ⅱ揭示了NCF滲透率與其纖維束尺寸、形狀、纖維束之間距離、纖維束本身滲透