碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的RTM工藝仿真

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1、碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的 RTM工藝仿真徐艷 1， 王天圣 2， 張錦光 2， 宋春生 2， 張強(qiáng) 2（1.江蘇省連云港鷹游紡機(jī)有限公司 科委，江蘇 連云港 222000；2. 武漢理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，武漢 430000）RTM Process Simulation of Carbon Fiber Composite HoodXU Yan1， WANG Tiansheng2， ZHANG Jinguang2， SONG Chunsheng2， ZHANG Qiang2（1.Science Committee，Lianyungang Yingyou Textile Machinery Co.，Lt

2、d，Lianyungang 222000，China；2. Mechanical and ElectricalEngineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430000，China）Abstract： Through molding methods comparison of composites ，RTM process is selected to manufacture carbon fiber hood. By using the process simulation software RTM-Worx，the effects of

3、permeability and the resin injection pressure and the temperature on the preform mold filling time are analyzed. Under certain preconditions of other factors ，the paper concludedthat permeability and injection pressure are inversely proportional to the filling time ，filling time injection temperatur

4、e and decreasing linear relationship.Key words： carbon fiber composites； hood； RTM； simulation0 引 言汽車(chē)引擎蓋是汽車(chē)覆蓋件最重要的組成部分之一， 在汽車(chē)使用過(guò)程中具有十分重要的作用?，F(xiàn)有的汽車(chē)引擎蓋一般采用“三明治”結(jié)構(gòu)，即內(nèi)板和外板中間填充有隔熱材料的結(jié)構(gòu)形式。汽車(chē)車(chē)身一直采用鋼制的鈑金件，不能適應(yīng)人們對(duì)輕 量化和速度的要求。為此許多國(guó)外汽車(chē)廠家都積極研究和利用復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)減輕汽車(chē)重量，降低油耗和改善風(fēng)阻系數(shù)的目的。要制作的碳纖維汽車(chē)引擎蓋，應(yīng)滿足以下要求：首 先，要滿足較高的剛度、模態(tài)的要求

5、，而且工藝質(zhì)量要穩(wěn)定。 其次，生產(chǎn)效率要高。再次，提高材料利用率，降低成本。通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的復(fù)合材料工藝比較可以發(fā)現(xiàn)，綜合考 慮原材料、效率、成本和環(huán)保因素，要制作大批量的碳纖 維汽車(chē)引擎蓋，應(yīng)選擇 RTM 工藝。!器，適配電機(jī) 37kW。設(shè)計(jì)伺服控制器接線端子有:運(yùn)行指令 XT3-1、停止指令 XT3-2、正點(diǎn)指令 XT3-3、反點(diǎn)指令XT3-4、多段速 1 XT3-5、多段速 2 XT3 -6、多段速 3XT3-7、力矩控制 1 XT3-8、力矩控制 2 XT3-9、力矩控制3 XT3-10、零速力矩 XT3-11、力矩回零 XT3-12、輸入公 共端 XT3-13、伺服故障 XT3-14、伺

6、服故障 XT3-15。4 結(jié) 論此電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，思路 獨(dú)特。這一先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案為試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的檢測(cè)提 供了保障，能夠模擬汽車(chē)的實(shí)際工作狀況，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 郭小蓉, 楊益群. 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速與節(jié)能J. 節(jié)能技術(shù)，2000（2）：28-29.2 胡佑德，曾樂(lè)生,馬東升.伺服控制系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)M.北京：北 京理工大學(xué)出版社，1993.（編輯 立 明）!作者簡(jiǎn)介：李宏（1966），女，副教授，碩士，從事機(jī)電教學(xué)及科研工作。收稿日期：2014- 07- 06+UVW+UVWKM2+ -+ -裝置，有信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和

7、信號(hào)放大裝置用補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，作為系 統(tǒng)良好工作性能的保障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的 有效組配。還有相應(yīng)的電源裝置、控制設(shè)備、保護(hù)裝置和 其它一些輔助設(shè)備。本方案選用 BKSC-4037 型伺服控制130機(jī)械工程師 2014 年第 11 期TX1-1 P1TX1-2 PB1TX1-5 U31TX1-6 V31TX1-7 W31TX2-10U32TX2-11 V32TX2-12 W32TX1-3 P2TX1-4 PB2U33TX1-8TX1-9TX1-10V33W33TX2-13U34TX2-14TX2-15V34W34BK SERVO 控制器安川變頻器制動(dòng)單元、電阻 控制器 電機(jī)風(fēng)機(jī)

8、制動(dòng)單元、電阻 變頻器電機(jī)風(fēng)機(jī)U2U2V2V2W2W2A1 A2R S TR S T- 控制器- 變頻器GKM1G制動(dòng)單元制動(dòng)單元- +- +MMMM制動(dòng)電阻 1 號(hào)電機(jī) 1 號(hào)風(fēng)機(jī)制動(dòng)電阻 2 號(hào)電機(jī) 2 號(hào)風(fēng)機(jī)接地鋼棒圖 2 試驗(yàn)臺(tái)中變頻器和伺服控制器的接線主回路圖摘 要：通過(guò)對(duì)復(fù)合材料各種成型方法進(jìn)行比較，選擇 RTM 工藝來(lái)制造碳纖維引擎蓋。文中采用工藝仿真軟件 RTM- W orx，分析了預(yù)成型體的滲透率以及樹(shù)脂注射的壓力和溫度對(duì)充模時(shí)間的影響。經(jīng)分析得出，在其他因素一定的 前提下，滲透率與注射壓力分別與充模時(shí)間成反比，注射溫度與充模時(shí)間成線性遞減的關(guān)系。 關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；引

9、擎蓋；樹(shù)脂傳遞成型（RTM）；仿真中圖分類(lèi)號(hào)：TP 391.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10022333（2014）11013003制造業(yè)信息化仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION 近來(lái)年復(fù)合材料也越來(lái)越多地出現(xiàn)在汽車(chē)零部件中，為 RTM 工藝提供了巨大發(fā)展機(jī)會(huì)。Young 等1-2研究了 RTM 工藝中樹(shù)脂基體、纖維增強(qiáng)材料和模具之間的熱傳 遞效應(yīng)，還對(duì)樹(shù)脂潤(rùn)濕纖維過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了探 討。Dimitrovova Z 和 Faria 基于均勻化方法探討了 RTM 工藝的有限元模型。Gerd M 等采用逆推法研

10、究了 RTM 工 藝在平面內(nèi)的滲透率相關(guān)的張量識(shí)別問(wèn)題。北京航空材料 研究院先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)的方 法研究了 RTM 成型過(guò)程中樹(shù)脂/纖維界面性能3。中北大 學(xué)山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心分析了真空 輔助 RTM 工藝中孔隙的形成機(jī)理，并且提出了控制方法。 本文使用 RTM 的方法制作引擎蓋外板的工藝，采用 荷蘭的 RTM-Worx 軟件研究工藝過(guò)程中的注射壓力，注 射溫度（樹(shù)脂黏度），以及預(yù)成型體本身的纖維體積含量對(duì)充模時(shí)間和工藝缺陷等的影響。1 RTM 工藝的流程和理論基礎(chǔ)1.1 RTM 的工藝流程RTM 工藝就是先將纖維增強(qiáng)材料制成的預(yù)成型體放 入模腔，然后通

11、過(guò)壓力將熔化的樹(shù)脂注入到密閉的模腔當(dāng) 中，使樹(shù)脂充分浸漬預(yù)成型體，在一定的溫度下固化成型。具體流程如下：a.預(yù)成型體的制造；b.沖模；c.固化；d.開(kāi)模。除了纖維體積含量和滲透率，RTM 中還有幾個(gè)重要 的工藝參數(shù)，如注射壓力、注射速率和注射溫度，會(huì)對(duì)充模時(shí)間和缺陷產(chǎn)生影響。1.2 數(shù)值流動(dòng)模型的理論基礎(chǔ) 在注射樹(shù)脂階段，樹(shù)脂注入閉合模腔后，在壓力和毛細(xì)管現(xiàn)象的作用下迅速浸潤(rùn)增強(qiáng)材料，排出腔中空氣。模腔內(nèi)預(yù)成型體的存在，將模腔分成了許多形狀和大小都 不均勻的孔隙。樹(shù)脂在形狀大小各不相同的孔隙中的流 動(dòng)過(guò)程十分復(fù)雜，按原理的不同大致可以分成兩類(lèi)，其一 是樹(shù)脂在纖維束之間的流動(dòng)，即宏觀流動(dòng)，其二是

12、樹(shù)脂在 纖維束內(nèi)部的流動(dòng)，即微觀流動(dòng)。其過(guò)程基本符合牛頓流 體在多孔介質(zhì)中滲流的行為，認(rèn)為樹(shù)脂的流動(dòng)遵循達(dá)西 定律，可據(jù)此進(jìn)行分析計(jì)算。2 RTM 工藝仿真2.1 碳纖維引擎蓋的模型結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)設(shè)置本文進(jìn)行 RTM 工藝仿真采用軟件是 RTM-Worx。RTM-Worx 的原理是基于有限元方法來(lái)計(jì)算牛頓流體在 多孔介質(zhì)中的流動(dòng)方程，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) RTM 工藝進(jìn)行仿真分 析的目的。該軟件的算法綜合了有限元分析和體積包絡(luò)計(jì)算，并以此為核心，計(jì)算精確、快速穩(wěn)定，能夠確保在短 時(shí)間內(nèi)提供準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。由于碳纖維復(fù)合材料引擎蓋是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外 板為碳纖維板，夾芯層為 PUR 泡沫塑料，無(wú)法通過(guò) RT

13、M 工藝進(jìn)行一體成型。應(yīng)通過(guò) RTM 工藝加工出內(nèi)外板，然后和通過(guò)注塑制成的夾芯層進(jìn)行粘接。在此僅針對(duì)引擎 蓋的外板（或內(nèi)板，下同）進(jìn)行工藝分析。本文采用的對(duì)象是某款?yuàn)W迪車(chē)的碳纖維復(fù)合材料引 擎蓋的模型，其 CAD 模型如圖 1。引擎蓋外板的是一個(gè)厚度小、面積大的薄殼結(jié)構(gòu)，為保證在樹(shù)脂注射過(guò)程中有足夠低的黏度，應(yīng)選擇 RTM 的 類(lèi)型為等溫 RTM。引擎蓋的外板都是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以 樹(shù)脂注射口設(shè)計(jì)在左右對(duì)稱(chēng)且高度最低的位置，為簡(jiǎn)化 分析過(guò)程，只安排一個(gè)注射口。RTM-Worx 軟件會(huì)根據(jù)注 射口的位置自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)生成溢料口的位置。2.2 滲透率注射壓力注射溫度對(duì)充模時(shí)間的影響滲透率是衡量樹(shù)脂在

14、預(yù)成型體內(nèi)滲流速度 的指標(biāo)，它本身受材料、 預(yù)成型體結(jié)構(gòu)形式、纖維 體積含量等因素的影響。 滲透率的不同會(huì)對(duì)充模 時(shí)間缺陷等造成影響。參 照表 1 的參數(shù)，改變滲透 率 ， 仿 真 出 滲 透 率 為表 1 RIM 工藝參數(shù)（0.21.8）10-9 m2 充模時(shí)間，如圖 2，并擬合曲線圖圖 3，擬合曲線為 T6.97910-7/v。改變注射壓力同樣會(huì)對(duì)充模時(shí)間產(chǎn)生明顯的影響。注射壓力的不同除了影響制件的質(zhì)量，另外對(duì)充模時(shí)間 也有一定影響4。為減少缺陷的產(chǎn)生，一般選擇比較低的 注射壓力。參照表 1，改變不同的注射壓力，仿真出注射壓 力為 20740kPa 的充模時(shí)間，如圖 4，并擬合曲線圖 5，

15、擬 合曲線為 T=374 000/P。對(duì)充模過(guò)程而言，對(duì)溫度最敏感的是樹(shù)脂。不同溫度131機(jī)械工程師 2014 年第 11 期圖 2 滲透率為 110-9 m2 時(shí)的充模時(shí)間保持恒定的參數(shù)參數(shù)值滲透率/（10-9m2）K112K220.1注射壓力/kPa200纖維體積含量50%外板厚度/mm1鋪層角度（/ ）0/0/0/0/0樹(shù)脂黏度（/ mPas）100圖 1 碳纖維復(fù)合材料引擎蓋模型制造業(yè)信息化 MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP擬合曲線擬合曲線對(duì) RTM 工藝充模時(shí)間的影響。注射參數(shù)包括注射壓力、注射溫度

16、等，本文針對(duì)這兩種因素對(duì)充模時(shí)間的影響規(guī) 律和原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，結(jié)論如下：1）滲透率與充模時(shí)間成反比關(guān)系，滲透率越大，表明預(yù)成型體對(duì)樹(shù)脂的導(dǎo)流能力越好，充模時(shí)間越短；2）注射壓力與充模時(shí)間成反比 關(guān)系，注射壓力越大，樹(shù)脂的流動(dòng)速度越快，充模時(shí)間越 短。3）注射溫度升高時(shí)，充模時(shí)間縮短。原因是溫度越高， 樹(shù)脂黏度越低，流動(dòng)性能越好，充模越快。參考文獻(xiàn)1 Young W B, Han K, Liou M J. Flow simulation in molds with preplaced fiber matsJ.Polymer Composites，1991，12（5）: 391403.2 Yo

17、ung W B. Thermal behaviors of resin and mold in the process of resin transfer moldingJ. Journal of Reinforced Plastics and Composites，1995，14（4）: 310-331.3 王晉,紀(jì)雙英,朱亦鋼,等. 兩維三軸編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彈道沖 擊性能研究J.新材料產(chǎn)業(yè)，2011（5）:59-62.4 Gebart B R. Permeability of unidirectional reinforcements forRTM. JJournal of Compos

18、ite Materials，1992，26 （8）: 1100 -下樹(shù)脂的黏度不同，如果溫度太低，會(huì)導(dǎo) 致樹(shù)脂黏度過(guò)大，流 動(dòng)困難，使得樹(shù)脂在 流到對(duì)應(yīng)位置之前就 固化了，不僅會(huì)導(dǎo)致表 2 不同溫度下環(huán)氧樹(shù)脂的黏度溫度/黏度（/ mPas）2535455563729316087（編輯 明 濤）1133.!作者簡(jiǎn)介：徐艷（1962）,女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械及碳纖維復(fù)合材料零部件的應(yīng)用； 王天圣（1990），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘祭w維復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)技術(shù)； 張錦光（1966），男，博士學(xué)位，教授，主要研究方向?yàn)榇艖腋〖夹g(shù)和復(fù)合材料零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)。通訊作者：張錦光，

19、jgzhang。收稿日期：2014- 07- 21模腔內(nèi)有些地方樹(shù)脂浸漬不到而產(chǎn)生缺陷，而且會(huì)對(duì)充模時(shí)間產(chǎn)生不利的影響。表 2 是不同溫度下環(huán)氧樹(shù)脂的 黏度。參照表 1，改變不同的注射溫度，仿真出注射溫度為（2555）C 的充模時(shí)間，如圖 6，并擬合出曲線圖 7。3 結(jié) 語(yǔ) 以碳纖維引擎蓋板為例，分析了預(yù)成型體的滲透率132機(jī)械工程師 2014 年第 11 期充模時(shí)間/s充模時(shí)間/s充模時(shí)間/s3 500充模時(shí)間 vs.平均滲透率3 0002 5002 0001 5001 0005000.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8平均滲透率（/ 10-3m2）圖 3 充模時(shí)間與平均滲透率的擬合曲線圖 4 注射壓力為 20 kPa 時(shí)的充模時(shí)間充模時(shí)間 vs.注射壓力18 000擬合曲線16 00014 00012 00010 0008 0006 0004 0002 0000100 200 300 400 500 600 700注射壓力/kPa圖 5 充模時(shí)間與注射壓力的擬合曲線圖 6 注射溫度為 25 時(shí)的充模時(shí)間12 000充模時(shí)間 vs.注射溫度11 00010 0009 0008 0007 0006 0005 0004 0003 0002 00025303540455055注射溫度/圖 7 充模時(shí)間與注射溫度擬合曲線