收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于化学流变学的树脂传递模塑工艺过程的数值模拟及灵敏度分析

丁妍羽  
【摘要】:近些年来,树脂传递模塑工艺(Resin Transfer Molding, RTM)是一种发展很快的复合材料制备工艺。它是指先把按性能和结构要求设计好的增强纤维材料预制体制件置放在模具型腔内,然后使用注射设备在一定压力下,将低粘度树脂体系注入模具型腔中,树脂固化后成型为有纤维预制件支撑的产品工件。由于具有低成本和高生产效率等优势,RTM工艺在很多领域的应用在日益扩大,如航空航天、舰船、汽车、建筑等。 树脂充填过程是RTM工艺成型过程中的关键环节,模具结构、纤维与树脂的材料性质、加热方式、边缘效应、树脂固化反应现象、工艺参数等都会影响产品的性能和质量。因此,综合考虑各种影响因素,深入研究树脂浸润机理以及动力学过程,将有助于建立复合材料制品制造的缺陷控制体系,从而提高产品质量、降低生产成本。 本文以RTM工艺树脂流体的充填过程为研究对象,应用多门类学科知识,建立并分析在复杂外场条件下材料体系、工艺条件、材料结构形成与充填行为之间的数学函数关系;耦合求解不同的化学与物理场量方程;自主开发等温和非等温条件下树脂充流动过程的数值模拟核心程序;引入灵敏度分析方法,定量分析工艺及材料性能参数对树脂流场的影响程度及规律。 主要工作与结论如下: 针对纤维预制体具有双级多孔介质的特点,采用局部体积平均化理论推导了预制体内树脂的流动控制方程,此动量方程考虑了树脂流体惯性力与粘性力的作用,比一般学者使用的Darcy定律的应用范围更广;基于矩形截面通道的完全发展流动控制方程以及等效渗透率的数学表达式,改进了标准Navier-Stokes方程,获得了边缘区域内树脂的流动控制方程,此模型考虑了模腔厚度对树脂流场的影响;根据大分子链的递归性质,应用全概率理论,推导了逐步聚合反应和链式聚合反应时树脂体系重均分子量的数值计算式。上述方程结合树脂固化反应动力学模型以及化学流变场的基本控制方程,便可实现树脂浸润过程的数学建模。 为了减少计算复杂性,采用单区域方法,树脂在纤维预制体内和边缘区域内的流动采用一组通用控制方程描述,此方法可避免显式列出这两个区域界面处的边界条件;考虑树脂相与空气相之间的相互作用,流体流动采用两相(树脂相和空气相)流动模型来处理,此方法可避免显式列出树脂流动前沿处的边界条件;应用有限体积法推导了相关场量控制方程的离散表达式;引入SIMPLE算法以及交错网格技术,便可实现压力场与速度场的耦合求解;采用直接积分法或向后差分方法,实现了固化反应动力学方程的离散;采用VOF/PLIC方法实时追踪充填过程中的树脂流动前沿的推进过程。上述方法为完整实施RTM工艺充填阶段的数值模拟提供关键技术支持。 编写了RTM工艺树脂充填过程的数值模拟核心程序;采用唯象模型和分子模型分别描述两种树脂体系材料(双马来酰亚胺树脂体系和环氧树脂体系)在充填过程中的化学流变行为;模拟分析了树脂固化反应程度、相对分子量、流体粘度、树脂流场随时间的演变规律,以及固化反应、流体温度、充填速度和渗透率对树脂流动前沿、模腔内化学—物理场量分布的影响,获得许多有意义的认识。 为了定性和定量地研究工艺及材料性能参数对RTM充填过程的影响,引入灵敏度分析方法,推导了相关流场物理量的灵敏度方程以及数学计算式,建立了树脂流动前沿形状的灵敏度表达式,确定了灵敏度方程与树脂流场控制方程的耦合求解方法;数值分析了在恒压和恒流速入口边界条件下,树脂温度、流体速度、注射压力、纤维预制体渗透率及边缘区域渗透率对充填时间和树脂流动前沿影响规律和程度,为提高充填效率与产品质量提出了有价值的建议。 分析了RTM工艺充模过程中温度场与树脂流场之间的关系特点,考虑厚度方向上的热传导现象,建立了二维流场/三维温度场的耦合求解方法,推导了三维能量方程在空间域和时间域上的离散形式,编写了非等温充填过程数值模拟核心程序;模拟分析了空间节点温度、树脂固化反应程度及粘度随时间的演变规律,探讨了边缘效应以及热传导系数对相关物理量空间分布的影响规律。结果表明,边缘效应会加剧模腔内相关物理场量的不均匀分布。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 戴福洪,张博明,杜善义;RTM工艺注模过程边缘效应模拟分析[J];复合材料学报;2004年02期
2 张成武;国内RTM成型中应该解决的几个问题[J];玻璃钢/复合材料;1998年02期
3 戴福洪,张博明,杜善义,武湛君;复杂形状三维薄壁构件RTM制造工艺注模过程模拟[J];复合材料学报;2004年02期
4 张林文,胡幼奕;RTM成型技术再认识[J];玻璃钢/复合材料;1998年05期
5 王东,秦华宇,荻西岩,粱国正;RTM用BMI/环氧树脂体系的研究[J];玻璃钢/复合材料;1999年02期
6 段华军,王钧,杨小利;低粘度环氧树脂固化体系研究[J];玻璃钢/复合材料;2003年01期
7 高克强,李新华,薛忠民,郭泓,张雄军;RTM在汽车工业中的应用现状与发展前景[J];工程塑料应用;2000年09期
8 尹明仁,段跃新,李丹,梁志勇,张佐光;视窗化RTM工艺充模过程模拟仿真技术研究[J];复合材料学报;2001年04期
9 高国强,薛忠民;RTM工艺过程缺陷产生机理分析[J];玻璃钢/复合材料;2001年02期
10 梁国正,蓝立文,袁阳,顾嫒娟;RTM用BMI树脂的研究[J];玻璃钢/复合材料;1993年05期
11 李海晨,王彪,周振功;RTM多孔注射工艺树脂流动过程数值模拟[J];工程力学;2002年02期
12 刘钧,曾竟成,肖加余,张长安,王春齐,杜刚;RTM注射成型列车机车用复合材料车门/窗框[J];纤维复合材料;2002年03期
13 史德军,卢红,胡福增,徐云龙 ,郑安呐;RTM二维径向流动模型的理论概况及研究[J];玻璃钢/复合材料;2004年03期
14 李海晨,王彪,周振功;RTM工艺树脂流动过程数值模拟[J];复合材料学报;2002年02期
15 段华军,马会茹,王钧;RTM工艺国内外研究现状[J];玻璃钢/复合材料;2000年05期
16 高克强,李新华;RTM夹芯制品成型技术及其在汽车上的应用[J];纤维复合材料;2001年01期
17 董国华;新型低压预混RTM注射机研制[J];玻璃钢/复合材料;2002年01期
18 邱桂杰;树脂传递模塑工艺中工艺参数对树脂-纤维界面的影响[J];玻璃钢/复合材料;2002年02期
19 曾竟成,彭超义;特殊用包装箱体的阻燃性研究[J];玻璃钢/复合材料;2002年05期
20 秦伟,张志谦,吴晓宏,盖学维;运用神经网络设计碳纤维织物/环氧复合材料界面性能[J];功能材料;2003年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 卢斌;李永林;刘钧;;潜用天线罩玻璃纤维增强复合材料及其真空辅助RTM成型工艺[A];2011年机械电子学学术会议论文集[C];2011年
2 武玉芬;张博明;;RTM的非饱和流动监测与数值模拟[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(上册)[C];2008年
3 晏石林;邱中琦;严飞;;恒流下玻璃纤维织物一维面内渗透率实验研究[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
4 姚福军;张雄军;霍文静;刘海鑫;;RTM制件拐角富树脂问题的解决方法研究[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
5 王柏臣;马克明;崔贵玲;;碳纤维表面等离子体处理对RTM复合材料性能的影响[A];探索 创新 交流(第4集)——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年
6 冉起超;李培源;张华川;顾宜;;RTM工艺制备的苯并噁嗪树脂基复合材料的性能[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
7 尹昌平;肖加余;曾竟成;江大志;刘钧;;共注射RTM制备碳/环氧-泡沫-碳/酚醛一体化复合材料[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
8 戴福洪;张博明;杜善义;;用均匀化方法预报编织增强体渗透率[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
9 李玲;赵卫生;陈剑楠;;高性能RTM用乙烯基酯树脂的研究[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
10 刘钧;肖加余;曾竟成;江大志;尹昌平;彭超义;;RTM整体成型固体火箭发动机复合材料连接裙[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 丁妍羽;基于化学流变学的树脂传递模塑工艺过程的数值模拟及灵敏度分析[D];山东大学;2011年
2 马克明;RTM成型碳/环氧复合材料非平衡浸润过程与界面性能调控[D];大连理工大学;2011年
3 尹昌平;共注射RTM制备承载/隔热/防热一体化复合材料[D];国防科学技术大学;2009年
4 魏玺;碳化硅陶瓷基复合材料ICVI过程的计算机模拟研究[D];西北工业大学;2006年
5 杨俊英;树脂传递模塑工艺过程的数值模拟[D];山东大学;2007年
6 张秀娟;热塑改性热固性树脂体系固化中的形貌—流变学研究[D];复旦大学;2008年
7 姜志国;交联/多相体系化学流变研究与群子理论的应用[D];北京化工大学;1999年
8 钱坤;机织增强材料渗透率的分形研究[D];东华大学;2007年
9 张明瑜;C/C复合材料的多元物理场CVI制备过程及其性能研究[D];中南大学;2007年
10 曹伟伟;碳素电热元件的电热辐射性能研究[D];山东大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 邱中琦;玻璃纤维织物一维面内渗透率的实验研究[D];武汉理工大学;2010年
2 王林;RTM工艺渗透率的研究[D];武汉理工大学;2010年
3 黄玉霞;RTM工艺微观流动行为的数值模拟研究[D];湘潭大学;2011年
4 杨波;树脂传递模塑成型工艺设计及数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2011年
5 崔婷婷;适用于RTM工艺聚酰亚胺基体树脂的研究[D];长春理工大学;2012年
6 高芳亮;RTM工艺用水溶性芯模材料的制备与性能[D];国防科学技术大学;2010年
7 徐肖霞;RTM/纺织复合材料超声检测方法研究[D];南昌航空大学;2012年
8 王明亮;复合材料金字塔点阵结构的RTM制备工艺及力学性能[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 赵静;高性能双马来酰亚胺RTM树脂的研究[D];中北大学;2011年
10 杨云飞;纤维预制体渗透率测定方法及影响因素的研究[D];武汉理工大学;2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 渔夫;破解四大玄机准备迎娶Win7[N];电脑报;2009年
2 亦非;向更广阔的市场进军[N];中国航空报;2000年
3 本报记者 林剑;Windows7或刺激PC市场复苏 个人消费者成发展重点[N];通信信息报;2009年
4 本报记者 杨静;CCEXPO:分享成就 携手共赢[N];中国建材报;2011年
5 齐大伟;风机叶片真空吸塑成型(VRAM)工艺浅析[N];中国建材报;2008年
6 顾培芷;新产品一览[N];中国建材报;2009年
7 林子;韩国电信选用Scoups传送世界杯[N];通信产业报;2001年
8 本报记者 凡晓芝;Windows 7 瞄准百亿专用设备市场[N];计算机世界;2009年
9 国敏;微软发布全新Windows Embedded CE[N];科技日报;2009年
10 本报记者 邱江勇;微软嵌入式软件瞄准专用设备市场[N];中国电子报;2009年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978