摘要：采用分段一集合計算方法，對二步法三維編織變厚度變截面薄壁殼體RTM充模工藝過程進行了較深
人的理論研究。提出了較準確的樹脂流動速度、樹脂充模時問和樹脂流動壓力計算方程。數值預測值與充模試風電材料設備
驗結果具有良好的一致性，所推導理論方程為合理設計RTM充模土藝參數提供了理論依據
關鍵詞：復合材料；二步法三維編織；RTM；分段一集合計算方法；cfrp.cn中國碳纖維網

NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY OF RESIN FLOW IN RTM
PROCESSING FOR TWO STEP 3D BRAID SHELL PREFORM WITH VARYING SECTION
ZHANG Guoli，Lilu，I_I Xueming
(Composites Research Institute of Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160，China)
Abstract：hhc filling process of RT M for the two step 3D braid shell prcform with a varying section. was investi gated theoretically by employing a calculating method of divide-integratim．Several formulation、related to the resinvelocity，resin filling time and resin flow pressure were proposed accurately. Good agreement was found between the experimental results and numerical predictive values. The deduced formulations could provide the theoretical basis for suitably designing RTM filling parameters. 本文來自123
Keywords:composites; two. step 3D braiding；RTM；divide-integration method；numerical simulation

采用增強纖維三維空間交織成整體網狀結構的三維整體編織（或機織）預成型體，通過合理選擇不同的增強纖維、樹脂基體和交織結構，可制造具有整體機械性能優異、結構尺寸穩定性好、耐熱燒蝕、耐低溫和優良的介電性能的新型結構和功能三維編織（或機織）復合材料。目前三維整體編織（或機織）變截面薄壁殼體RTM成型復合材料已替代傳統的21)織物鋪層殼體復合材料川，成為運載火箭殼體、復合裙、雷達天線罩等構件的首選承載結構之一。由于此類型殼體結構件尺寸大、纖維體積含量高、型面曲線和壁厚公差要求嚴格川，采用金屬閉模RTM成型工藝進行加工時，提高樹脂對纖維預制件的宏觀和微觀浸滲程度川，是確保復合材料質量和性能的技術關鍵。為解決RTM工藝充模過程中樹脂流動規律的可預見性和可控制性的技術難題，國內外研究者多采用有限差分法、有限元控制體積法川、邊界元法和貼體坐標法等數值模擬技術，實時地對形狀簡單的模腔內樹脂流動形狀和位置、樹脂流動速度場、壓力場和溫度場的分布進行預測，以上數值方法往往程序編制復雜，計算機模擬計算耗時較長五月。本文作者采用分段一集合計算方法對RTM工藝充模過程中樹脂流動進行了理論分析和試驗研究，獲得了典型三維整體編織變截面薄壁殼體樹脂流動規律，為優化工藝設計提供重要的理論依據。

123,123

1 數學模型的建立
1.1分段一集合計算方法的基本原理
RTM充模的實質是液體樹脂飽和充滿纖維預制件孔隙并排除其內部所含空氣的過程。考慮到三維整體編織變截面薄壁殼體的厚度與其直徑和高度相比，數量級較小，且薄壁殼體KTM模具樹脂流道的設計一般采用環線注射結構方式，因此樹脂充模過程中的流動規律可近似為多孔介質中的一維滲流，即在柱面坐標系統（廠，夕，z)中，壓力和速度值僅沿z方向變化。分段一集合計算方法是根據制件截面形狀方程的種類數，沿軸線將殼體分成若干單元．利用Darcy分鐘定律依次計算出各單元段內樹脂流體的運功狀態參數，經過數學變換，求得變截面薄壁殼體內不同位置的樹脂流動速度場、壓力場、位移場和充模時間的分布規律。為簡化薄壁殼體樹脂流動的理論分析與計算，作如日限設：充模過程中三維編織頂制件不會發生纖維移動和變形；充模過程中不考慮由于化學反應所引起的粘度變化，樹脂的粘度值為一定值；充模過程中僅考慮宏觀樹脂流動現象．慣性和毛細作用忽略不計；樹脂注人壓力為Po(zo)。行流動前沿處壓力為0. 本文來自123







2 試驗
2.1三維編織變截面薄壁殼體預制件的編織風電材料設備
采用二步法三維編織工藝，在組合式編織機上，根據圖2所示的變截面薄壁殼體預制件的形狀結構和尺寸大小．在芯模的周邊上合理配置所需數FAVI紗和編織紗，軸向紗和$Tu織紗均使用號數為1200Tex無捻E一玻璃纖維，并利用增、減紗線工羅習實現三維編織薄壁殼體預制件截而厚度尺寸的大小，三維編織工藝參數如表1示。山于變截面薄壁殼體沿二軸方向具有四種截面形狀函數方程，因此在數俏模擬理論計算過程中可將兩壁殼體分成。

2.2 RTM充模理論計算與試驗驗證
2.2.1 RTM充模理論計算
利用復化辛卜生數值積分算法和Fortran 99算法語言，對所推導的理論方程(8)、(9)和（11)進行編程和數值計算。由方程(11)可知，在樹脂粘度保持恒定及樹脂流動前沿位置固定的R丁M充模工藝條件下，注射口壓力和三維編織變截面薄壁殼體預制件滲透率與空隙率（婦的乘積值確定了樹脂充模溢流時間的大小。圖3(a）表示在不同注射口壓力條件下滲透率與空隙率的乘積值對樹脂充模溢流時間的影響。圖3(b)表示在不同的滲透率與空隙率的乘積值條件下注射口壓力大小對樹脂充模溢流時問變化規律的影響。圖4表示在注射r1壓力分別為420 kPa和620 kPa的恒壓條件下，三個固定位置上（z=100 mm,z2=160 min、=260 mm)壓力理論值p(z1)p(z2)和p(z3)與樹脂流動前沿位置對應關系曲線。山圖4可知，樹脂飽和浸潤區」或內固定點壓力隨樹脂流動前沿位置遞增而增大。
2.2.2試驗驗證
由方程(8)和(9)可知，固定位置樹脂流動壓力 123456







值取決于樹脂流動前沿位置和注射日壓力的大小。為了驗證所提出的三維編織變截面薄壁殼體RTM工藝樹脂充模流動分段一集合理論計算方法的正確性，對表1所示的三種規格的三維編織變截面薄壁殼體進行了RTM充模試驗。試驗選用TDE-85/DDS／BF,乙胺環氧樹脂體系，以100：15：1.5的質最比例混配成所需的膠液，在35分鐘C經測試，樹脂粘度為428.6 mPa·s（樹脂粘度測試標準為GB7193-1），固化后其澆注體密度為1. 302 g/crn分鐘（密度測試標準為GB 1033-70)。為準確測量樹脂充模溢流時間，本試驗中采用透明有機玻璃材料加工RTM模具出料口端蓋，并且在模具內部相應的位置點上安裝壓力傳感器以測量樹脂溢流后固定位置上的樹脂流動壓力。樹脂充模溢流時間理論計算值與實測結果的比較、三個固定位置上樹脂流動壓力理論計算值與實測結果的對比如表2所示。由表2所列樹脂充模溢流時間理論計算值與實測值的比較值可知：當K矛值較大時，樹脂充模溢流時間理論計算值具有較高的預測精度場K淤值逐漸減小時，樹脂充模溢流時問逐漸增大，并且理論計算值與實測值的相對誤差逐漸增大，這主要是由于過長的充模時間引起樹脂粘度增加所致。 123456
由表2所示的理論預測、實測值數據的比較結果可知，當樹脂溢流后，隨著三維編織變截面壁殼體預制件纖維含量和粘滯性樹脂流體浸潤高度的增加，流動阻力的累加效應會造成壓力損失程度的提高，因此樹脂流動壓力逐漸減小，理論預測值與實測值的誤差會相應增大。

3 結論
在一維Darcy分鐘s定律和連續性定律基礎上，對三維編織變厚度變截面薄壁殼體RTM充模工藝過程中樹脂流動速度、樹脂充模時間和樹脂流動壓力進行了較深人的理論和充模試驗研究，對比分析理論方程、計算數值和充模試驗結果可知：定壓注射、恒定粘度RTM充模過程中，飽和浸潤模腔內任意點樹脂滲流速度和流動壓力隨其截面形狀函數的大小和樹脂流動前沿位置而變化，并且流動阻力的累加效應所造成的壓力損失程度隨纖維含量和粘滯性樹脂流體浸潤高度的增加而增加。 copyright 123456
(1)通過考慮樹脂流動重力影響因素，利用分段一集合計算新方法，有效地提高了RTM數值模擬計算精度。
(2)利用Fortran 99算法語言和復化辛卜生數值積分算法，對所推導樹脂充模時間和樹脂流動壓力理論方程進行數滇計算，與RTM充模工藝試驗結果比較證明理論預測值與實驗值吻合較好．
(3）對于加工特定結構的三維編織變截面薄壁殼體復合材料制件，借助于方程(7）、（8）、（9）和(11)的理論頂測結果，可合理設計RTM充模工藝參數。

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