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树脂传递模塑工艺固化过程的数值模拟

于延军  
【摘要】:研究开发高性能的新型复合材料,是当今世界材料科学的发展趋势。树脂传递模塑工艺(Resin Transfer Molding,RTM)是近年来纤维增强树脂基复合材料制备工艺中发展较快的工艺。RTM制品具有质量水平高,尺寸和形状精度高,并可以做局部增强设计,生成速度快,制造成本低,生产过程中无挥发性气体产生等众多特点。目前,RTM已经被广泛应用于航空航天、交通、建筑、通讯、卫生、体育器材等领域。 RTM是指在一定的温度和压力下将低粘度的热固性树脂注入预置增强纤维材料的模具型腔内,待树脂充分浸润增强材料后,再固化成型的工艺。RTM的固化过程是RTM成型过程的关键环节。树脂固化过程中发生放热化学反应,形成复杂的温度场梯度,导致非均匀固化,产生残余应力而影响RTM制品的质量。因此,开展RTM固化过程的数值模拟对于优化固化工艺曲线,合理筛选固化工艺参数有着重要意义。 本文研究的内容主要是RTM固化过程的温度场和固化度场的数值模拟。根据化学反应动力学理论,建立了RTM固化反应动力学模型,构建了全量固化率与固化率增量的数值表达式;根据化学热力学理论,将固化放热反应视为内热源问题,推导了固化反应热释放量和反应放热强度的数值计算表达式;采用统计交联理论,建立了满足凝胶化条件的交联度与全量固化率的数学关系式;运用加权余量法,并且引入了热力学边界条件,推导了伴随固化反应热的温度场基本控制方程。 以伴随固化反应热的非稳态温度场为例,阐述了有限元固化区域离散的准则,单元剖分和单元变分的方法,以及单元总体合成的技巧。在此基础上,给出了有限元模拟的程序流程图和具体模拟实施步骤,并且对于以“回”字几何形状截面固化区域的温度场和固化度场进行了数值模拟,获得了固化成型过程中的工艺参数的变化规律,达到了优化RTM固化成型工艺曲线的目的。


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