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沟槽型VARTM工艺优选技术研究

作　者: 雷波
导　师: 周持兴
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料学
关键词: VARTM 等效渗透率沟槽数值模拟充模流动充模时间
分类号: TQ320.661
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

真空辅助树脂传递模塑成型(VARTM)工艺是一种新型的泡沫夹芯结构板成型方法,该工艺具有成型快、环保、成本低等优点,所得制品质轻、性能好。在泡沫芯材上开设沟槽,不但能大大提高充模速度和生产效率,而且能大大增加夹芯结构芯材和面板的界面性能,特别适合于大型、加筋和异型结构件的制备。因此该工艺在风电、航空航天、交通运输等领域得到了广泛的运用。为了得到树脂在沟槽内的饱和流动特性,我们通过压力驱动流动实验研究了环氧树脂和硅油在PVC硬质泡沫塑料壁流道内的流动行为。研究发现,泡沫壁流道的内壁分布着大量由破裂或未破裂的泡孔构成的粗糙元,而这种大小不一、分布不规则的粗糙元,导致液体在泡沫壁流道的流动能力只有光滑壁流道的60%左右。为此,我们采用等效渗透率表征树脂在不可渗泡沫壁流道内的流动能力,研究得到了沟槽的等效渗透率计算公式。借助于计算机模拟,研究了流道内的不饱和流动行为。研究发现:流动开始后,流速迅速由零增加至某一值,然后随流动时间的增加而单调下降,且流速下降幅度逐渐减小。随着流动的进行,流动前沿后方的饱和区域消耗的压力降逐渐增加。随着流道内径和树脂与槽内壁间接触角的增大,模拟流道的等效渗透率值逐渐趋近于平行板流道的等效渗透率值,并得到了一个综合考虑接触角和槽宽影响的沟槽的等效渗透率计算公式。对于沟槽型VARTM工艺中充模阶段的树脂流动,采用等效渗透率来表征树脂在不可渗泡沫壁流道内的流动能力,将树脂在纤维预成型体内的流动视为不可压缩流体在多孔性介质内的流动。因此,可采用Darcy定律和质量守恒定律来描述树脂的流动。本文以充模时间最短为优化设计目标,在此基础上利用数值模拟方法对沟槽参数(槽宽、槽深、槽间距)进行优化设计。二维和三维流动模拟结果表明:当槽宽取1-3mm、槽间距取20-50mm时,充模时间较短;而且在此范围内,槽宽和槽间距越大,充模时间越短。但是,槽宽的增大,槽间距的减小,都会造成树脂消耗量的增加,从而导致生产成本增加。因此,在设计沟槽时,应综合考虑树脂消耗量和充模时间,最好在区间[1,3]mm内选择合适的槽宽,在区间[20,50]mm内选择合适的槽间距。最后,通过沟槽型VARTM工艺实验验证了上述模拟结果。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-26
  1.1 概述  13-14
  1.2 VARTM 的两种工艺类型  14-15
    1.2.1 高渗透介质型  14-15
    1.2.2 沟槽型  15
    1.2.3 小结  15
  1.3 树脂流动研究进展  15-19
    1.3.1 树脂在纤维增强材料中流动  16-17
    1.3.2 树脂在沟槽内的流动  17-18
    1.3.3 沟槽的渗透率  18-19
    1.3.4 小结  19
  1.4 沟槽型VARTM 成型工艺研究进展  19-25
    1.4.1 沟槽布局方式  20-22
    1.4.2 沟槽尺寸的优化设计  22-24
    1.4.3 工艺模拟研究进展  24
    1.4.4 小结  24-25
  1.5 本论文研究目标及内容  25-26
    1.5.1 研究目标  25
    1.5.2 研究内容  25-26
第2章泡沫夹芯结构板泡沫壁流道内的流动特性  26-47
  2.1 泡沫夹芯结构板泡沫壁流道表面特性  26-27
    2.1.1 接触角实验  26-27
    2.1.2 SEM 实验  27
  2.2 树脂在沟槽内的流动  27-37
    2.2.1 简介  27-28
    2.2.2 实验材料  28-29
    2.2.3 实验装置和实验方法  29-30
    2.2.4 流动实验结果与讨论  30-35
    2.2.5 矩形沟槽的等效渗透率  35-37
  2.3 不饱和流动模拟  37-45
    2.3.1 控制方程  37-39
    2.3.2 模拟结果与讨论  39-45
  2.4 本章小结  45-47
第3章沟槽型VARTM 工艺充模过程模拟  47-70
  3.1 模拟简介  47-51
    3.1.1 多孔性介质内的流动  47-49
    3.1.2 纤维增强体的渗透率  49
    3.1.3 热传递现象  49-50
    3.1.4 树脂的粘度  50
    3.1.5 树脂固化动力学  50
    3.1.6 小结  50-51
  3.2 环氧树脂体系化学流变性能研究  51-52
  3.3 充模流动模拟  52-57
    3.3.1 影响充模时间的因素  52-55
    3.3.2 流动模拟的理论检验  55-57
  3.4 沟槽型VARTM 二维流动模拟  57-69
    3.4.1 主槽的优化设计  58-61
    3.4.2 引流槽的优化设计  61-66
    3.4.3 整体设计  66-69
  3.5 本章小结  69-70
第4章沟槽型VARTM 三维流动模拟与实验研究  70-81
  4.1 三维充模流动模拟  70-77
    4.1.1 三维纤维毡  70-71
    4.1.2 三维沟槽  71-74
    4.1.3 三维组合体  74-77
  4.2 沟槽型VARTM 充模流动实验  77-80
    4.2.1 实验材料  77
    4.2.2 实验流程  77-80
    4.2.3 实验结果与分析  80
  4.3 本章小结  80-81
第5章全文总结  81-82
参考文献  82-85
致谢  85-86
已发表论文  86

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