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RTM工艺渗透率的研究

王林  
【摘要】:树脂传递模塑工艺(RTM),作为液态模塑成型工艺(LCM)的一种,也是复合材料的一种封闭成型工艺.随着复合材料的广泛应用,对RTM工艺的研究不断深入,需要对其充模过程进行流动模拟,以便指导生产实践.而纤维预成型体的渗透率研究对于RTM工艺的流程设计与实际应用非常重要,如何准确地描述树脂在复合材料中的渗透性能,对于模具设计的优化、成型过程的数值模拟、制造周期的缩短、产品质量的保证等尤为重要.故本文将着重研究RTM工艺的渗透率. 文章在前面首先论述了纤维增强材料渗透率研究的理论基础,了解到RTM渗流的一些基本理论,通过对达西定律的描述和渗透率获取方法的分析,采用了数值模拟这一目前应用比较少的方法.紧接着阐述了一下关于Stokes流的均匀化理论,它是以连续的介质理论作为基础,认定宏观的系统结构是由周期性的微结构在空间内进行重复堆积形成的,如此一来宏观结构的性能参数可以表成微结构性能参数的平均值.如前所述,宏观多孔介质中液体的流动服从于Darcy定律,而微观单胞内液体的流动则可表征为Stokes方程.故而Darcy定律中的渗透率参数可以把宏观的流动与单胞内的微观的流动衔接起来,通过均匀化方法对单胞内的流动进行分析归纳以得到等效渗透率参数的计算表达式. 本文研究的中心任务是针对目前研究较少的三维预成型体渗透率展开数值模拟,通过求解微观结构的三维Navier-Stokes方程,藉此得到微观流动中流体的速度场和压力场,然后回代入宏观流动的达西定律求解,用以求出多孔介质的等效渗透率参数.具体做法如下:运用均匀化方法得到微观的单胞模型,然后对微观单胞内的三维Navier-Stokes方程进行变分和离散化,得到有限元离散方程.为了达到减小计算量和提高精度的效果,采用了混合有限元法进行方程的求解,具体的算法是采用一个两阶的分裂算法的时间分离格式.并通过一个数值实例进行算法的验证,运用ANSYS软件得到的数据进行了数值计算,并把数值计算的结果与他人理论成果和实验结论进行了比照,得到较好地近似,初步验证了算法的可行性,为以后进一步深入研究三维预制件的渗透率提供了依据.


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