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双尺度孔隙纤维织物渗透率的模拟预测

陆航  
【摘要】: 复合材料液体模塑成型工艺(Liquid Composite Molding, LCM)是一种先进的成型技术。凭借其自身在经济和生产质量方面体现出的优越性,LCM工艺已经被广泛应用于汽车制造、航天业、运输业等领域中。通过计算机模拟技术对充模过程进行模拟,可以预先掌握树脂在增强材料中的浸润规律,从而有效的减少成型中干斑和气泡等质量缺陷的形成,提高复合材料制品的质量。纤维织物的渗透率是进行充模模拟所需提供的重要工艺参数,渗透率数值预测的准确度决定了充模模拟过程的真实性和正确性。 目前,对渗透率的测量主要是利用实验的方法来实现,但是实验法测试渗透率耗时费力。针对实验法测试渗透率的缺陷,本文利用数值模拟的方法对纤维织物的渗透率进行了计算。 首先,构建模拟思想,研究了树脂在纤维织物中的流动实质,提出模拟的简化假设,对纤维织物中周期性单胞结构进行分析,确立单胞中树脂在纤维束间和纤维束内流动的控制方程,在模拟过程中考虑了树脂在纤维束内的流动。 然后,利用有限元软件建立了纤维增强材料中周期性单胞的几何模型,输入模拟参数,施加合理的边界条件,对单胞模型进行数值计算,得到了压力和速度结果分布图。结合单胞中不同区域的结构形式、孔隙率、流动阻力大小,对压力和速度结果图进行了分析,证明了计算结果的合理性。编写相应的计算命令流,对计算结果进行后处理得到增强材料的渗透率数值,并与实验测试结果进行对比,发现二者结果接近,从而证明了利用数值模拟方法对纤维织物渗透率进行预测的有效性。 最后,通过数值模拟的方法研究了注射压力、纤维体积含量以及织物结构对渗透率的影响。发现渗透率模拟结果不受注射压力的影响,因织物结构的变化而发生改变,随纤维体积含量的升高而减小的结论。通过理论分析,证明了这些结论的正确性,并进一步验证了数值模拟方法的有效性,并对毛细压力、边缘效应等影响渗透率的因素进行了讨论。


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