基于非结构化网格的树脂传递模塑成型工艺的数值模拟

摘要

树脂基复合材料具有重量轻、结构性能可设计、耐腐蚀和可降低噪音等特点,越来越广泛地应用于风力发电、汽车、建筑、造船、体育用品、航天航空及医疗器件等领域。树脂传递模塑(Resin Transfer Molding,简称RTM)是制造树脂基复合材料的一种主要的成型技术,是材料工程领域的一个研究热点。RTM成型过程的数值模拟,能够用于预测成型过程中树脂的流动和固化,优化成型工艺参数和周期,从而减少工艺试验、降低生产成本、提高产品质量和生产率。因此,成型过程的数值模拟是RTM成型技术领域的一个重要的研究方向。　　 随着RTM技术的广泛应用,成型工件的形状越来越复杂,采用规则的结构化网格建立数值模型将遇到很大的困难,而采用非结构化网格建模则十分方便。但目前基于非结构化网格的RTM成型过程的数值模拟方法的研究尚不够充分。因此,本文建立基于非结构化网格的三维控制体计算方案,推导了RTM成型过程数值模拟的三维控制体/有限元法列式,系统地研究了成型过程的等温和非等温模拟的基本算法,提出了控制体公共界面上的交叉扩散项的处理方法,并进行了算例验证。　　 在RTM树脂流动过程中,当从模腔壁到树脂的热传递速度大于充模速度,则可以忽略温度变化和化学反应的影响,将树脂流动过程近似地视为等温的。这种模型虽然模拟精度稍低,但计算效率高,能预测树脂流动模式以及可能产生的气泡、干斑等缺陷。本文建立了模拟RTM树脂流动过程的等温模型的数值算法,实现了对复杂形状的工件的三维等温数值模拟,通过算例验证了模型的正确性,研究了增强体渗透率、树脂黏度、注射压力以及注射孔位置等因素对成型过程的影响。　　 实际的RTM成型包括树脂流动和固化两个阶段,模具型腔内的温度场和固化度场是随时间变化的,只有采用RTM工艺全周期非等温模型才能得到准确的模拟结果。本文同时考虑能量方程和化学反应方程来计算温度场和固化度场,建立了模拟RTM工艺全周期的非等温模型的数值算法,实现了对复杂形状工件的三维非等温模拟,通过算例验证了模型的正确性,分析了纤维孔隙率、树脂反应热、树脂注入温度和流量、树脂和纤维的整体热传导率等因素对树脂流动阶段以及固化阶段的影响。分析结果对于确定合适的注射孔和排气孔位置,校核模具的刚度和设备能力,优化模具热力设计,评估产品质量具有指导意义。　　 在能量方程的离散过程时,常忽略控制体公共界面上的交叉扩散项。当采用规则的结构化网格时,节点连线与控制体表面近似正交,因此这样处理不会引起明显的误差,但是当采用非结构化网格时,节点连线与控制体表面间难以正交,则会出现较大误差。针对这个问题,本文提出了能量方程中的扩散项数值处理方法,改善了数值模型的精度。　　 作者设计制作了等温RTM树脂流动实验装置,通过实验验证了本文提出的等温RTM树脂流动数值模拟方法的正确性。