基于VARTM的碳纖維單向與三維編織混雜織物樹脂灌注工藝
發(fā)布日期：2024-05-09 作者：迎燦 1 ,張聯(lián)合 1 ,崔健 1 ,謝金路 1 ,王曉明 1 ,任浩 1 ,張健榜 2 ,查一斌 瀏覽次數(shù)：
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核心提示：此文章轉(zhuǎn)載自 工程塑料應(yīng)用的文章《基于VARTM的碳纖維單向與三維編織混雜織物樹脂灌注工藝》作者：戶迎燦 1 ,張聯(lián)合 1 ,崔健 1 ,謝金路 1 ,王曉明 1 ,任浩 1 ,張健榜 2 ,查一斌 3 ,秦成 2 ,張輝 2 圖片 ,倪宇峰 1。（1. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東青島 266111； 2. 東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620； 3. 東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620 ）
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)憑借比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)勢，在地鐵列車減重提速方面效果顯著。轉(zhuǎn)向架作為地鐵關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)之一，主要用以控制、平衡軌道上的總質(zhì)量，同時減少軌道磨損，但傳統(tǒng)鋼質(zhì)轉(zhuǎn)向架約占列車總重的37%[1]，采用CFRP對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，不僅可以有效減輕列車的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，還可以顯著提高車輛的安全性能和使用壽命。對于地鐵轉(zhuǎn)向架側(cè)梁這類大型復(fù)雜形狀結(jié)的構(gòu)件，需要對局部典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行試制并對樹脂灌注過程進(jìn)行分析。以往在試制過程中通常采用人工試錯法，不僅效率較低，而且造成了生產(chǎn)成本的增加。數(shù)值模擬的快速發(fā)展，逐漸成為對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件試制的主要研究手段，不僅可以對各種制件進(jìn)行樹脂灌注模擬，對過程進(jìn)行可視化，還可以為實(shí)際生產(chǎn)加工提供一定的指導(dǎo)[2]。20世紀(jì)90年代，已經(jīng)研究并開發(fā)了樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝樹脂灌注過程的模擬技術(shù)[3-4]。其中包括具有規(guī)則邊界的二維幾何體的有限差分法、考慮瞬態(tài)效應(yīng)的有限元技術(shù)和有限元/控制體技術(shù)。有限元/控制體一致性技術(shù)使用有限元方法求解壓力場的控制方程，并使用控制體積方案跟蹤樹脂流動前沿的位置，研究表明，采用有限元/控制體技術(shù)非常適合樹脂灌注充模時的數(shù)值模擬，目前已被確立為RTM充模模擬商業(yè)軟件的標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。Kim等[7]提出了一種預(yù)測剪切變形機(jī)織物滲透性的解析模型，利用PAM-FORM和PAM-RTM軟件對U型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)成型過程進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)模擬與實(shí)驗(yàn)制備的樹脂填充時間和流動前沿較為匹配。Rodrigues等[8]利用PAM-RTM軟件研究不同注射壓力下CaCO3的加入對樹脂浸潤纖維預(yù)制體的影響，結(jié)果表明樹脂流動前沿、充填時間、充填壓力等參數(shù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。高猛等[9]通過PAM-RTM軟件對復(fù)合材料電池箱上蓋板的RTM樹脂充填過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)樹脂充模時間與樹脂黏度、纖維體積含量、壓縮速度相關(guān)。Grössing等[10]的研究表明PAM-RTM軟件可用于預(yù)測樹脂灌注過程中流動前沿隨時間變化趨勢以及結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的干區(qū)氣泡等缺陷。三維編織碳纖維織物內(nèi)部呈相互交織的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)異的吸能特性。但受到編織角大小和軸向紗線數(shù)量的限制，復(fù)合材料軸向性能較低，無法滿足一些對軸向承載性要求較高的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用要求。而單向碳纖維具備優(yōu)異的軸向性能，將三維編織與單向碳纖維混雜增強(qiáng)不僅可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，還可以減少織物不同滲透率對復(fù)合材料灌注成型過程的影響。因此，為驗(yàn)證單向和三維編織混雜織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的成型工藝性，分析樹脂的流動規(guī)律，基于以上研究，筆者對側(cè)梁典型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料方形管進(jìn)行縮比建模，利用PAM-RTM軟件對方管進(jìn)行樹脂灌注模擬并與VARTM工藝制備的方管進(jìn)行對比分析。VARTM是RTM的衍生工藝，采用單側(cè)模具的形式，可以降低模具的使用成本，其主要流程為：先將碳纖維增強(qiáng)材料在底部模具中鋪設(shè)，然后在真空袋下覆蓋和密封，空氣從空腔中抽出，依靠大氣壓力將樹脂注入碳纖維增強(qiáng)材料。采用VARTM工藝制備得到的單向和三維編織混雜織物復(fù)合材料方管，其產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于樹脂對單向和三維編織混雜增強(qiáng)織物的浸潤程度，而且單向織物和三維編織織物的結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致樹脂對兩種織物的浸潤性不盡相同。采用數(shù)值模擬的方法可以將VARTM中的樹脂灌注過程可視化，通過建立不同的模型還可以觀察到每層鋪層樹脂的浸潤程度，預(yù)測整個VARTM中樹脂灌注過程的灌注時間以及灌注質(zhì)量[11]。單向碳纖維織物：T700，300 g/m2，宜興市中碳科技有限公司；三維編織碳纖維織物：T700，1 200 g/m2，采用352錠環(huán)形編織機(jī)制備的三維角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)編織織物，編織角為30°，厚度為1.33 mm，江蘇高路復(fù)合材料有限公司；環(huán)氧樹脂：ME306R-A[12]，東華大學(xué)；固化劑：ME306R-B[12]，東華大學(xué)；丙酮：WF300，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；柔性真空袋薄膜：LVF2308，上海瀝高科技股份有限公司；導(dǎo)流網(wǎng)：VI130W，上海瀝高科技股份有限公司；聚四氟乙烯管：DG-SF12，上海道冠橡塑五金有限公司；脫模劑：Zyvax®Flex-ZTM 5.0，肯天化工(上海)有限公司；密封膠帶：AT-200Y，上海道冠橡塑五金有限公司。樹脂收集器：RB10-1214，廈門宥德材料科技有限公司；玻璃板：1 000 mm×600 mm×8 mm，滕州市優(yōu)瑞商貿(mào)有限公司；大型工業(yè)烘箱：YB-1，上海亦博實(shí)業(yè)有限公司；分析天平：HZT-A，蘇州金鉆稱重設(shè)備有限公司；游標(biāo)卡尺：DL3944，寧波得力集團(tuán)有限公司。
2.1 碳纖維增強(qiáng)織物面內(nèi)滲透率測定結(jié)果
2.1.1 單向碳纖維織物面內(nèi)滲透率測定結(jié)果通過攝像機(jī)記錄單向織物滲透率(KU)測定過程中的樹脂流動前鋒位置，每隔5 s采集一次主/輔滲透率方向t時刻樹脂流動前鋒位置，由于初始時刻二甲基硅油測試液流動前鋒并不明顯，因此從10 s開始記錄t時刻樹脂充模前鋒位置，x方向樹脂充模前鋒記為rUxe，y方向樹脂充模前鋒記為rUye，具體結(jié)果見表1。
表1 單向織物主/輔滲透率方向t時刻樹脂充模前鋒位置Tab. 1 Resin filling front position at time t in the main/auxiliary permeability direction of unidirectional fabric
使用公式(18)對表1中單向織物主/輔滲透率方向t時刻rUxe和rUye處理，得到處理后t時刻樹脂充模前鋒位置TUx和TUy，并與灌注時間t進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖3所示。R2代表試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型中擬合函數(shù)之間的吻合程度，R2越接近1，吻合程度越高。
圖3 單向織物主/輔滲透率方向樹脂充模前鋒位置擬合結(jié)果Fig. 3 Fitting results of resin filling front position in the main/auxiliary permeability direction of unidirectional fabric圖3結(jié)果表明，單向織物主滲透率(KUxx)擬合結(jié)果中RUx2為0.995 4，輔滲透率(KUyy)擬合結(jié)果中RUy2為0.993 3。隨后將主/輔滲透率方向擬合斜率代入公式(16)和公式(17)中，計(jì)算得到KUxx=1.12×10-10 m2，KUyy=4.70×10-11 m2。2.1.2 三維編織碳纖維織物面內(nèi)滲透率測定結(jié)果通過攝像機(jī)記錄三維編織織物滲透率測定全過程中的樹脂流動前鋒位置，由于測定初始時刻樹脂流動前鋒并不明顯，因此從12 s開始采集數(shù)據(jù)，此后每隔10 s記錄一次主/輔滲透率方向樹脂流動充模前鋒位置，x方向記為rFxe，y方向記為rFye，數(shù)據(jù)見表2。
表2 三維編織織物主/輔滲透率方向t時刻樹脂充模前鋒位置Tab. 2 Resin filling front position at time t in the main/auxiliary permeability direction of three-dimensional woven fabric
通過公式(18)對三維編織織物t時刻rFxe和rFye進(jìn)行處理，得到t時刻樹脂充模前鋒位置TFx和TFy，與時間t進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖4所示。三維編織織物主滲透率(KFxx)樹脂充模前鋒位置的線性擬合結(jié)果中RFx2為0.998 1；輔滲透率(KFyy)樹脂充模前鋒位置的線性擬合結(jié)果中RFy2為0.996 7。將主/輔滲透率方向樹脂流動前鋒位置線性擬合的斜率代入公式(16)和公式(17)中，計(jì)算得到KFxx=8.03×10-11 m2和KFyy=5.54×10-11 m2。
圖4 三維編織織物主/輔滲透率方向樹脂充模前鋒位置擬合結(jié)果Fig. 4 Fitting results of resin filling front position in the main/auxiliary permeability direction of three-dimensional woven fabric從以上數(shù)據(jù)可以看出，單向織物主滲透率(KUxx)最大，三維編織織物主/輔滲透率(KFxx，KFyy)次之，單向織物輔滲透率(KUyy)最小。這主要是因?yàn)閱蜗蚩椢镅刂鳚B透率方向取向度高，孔隙結(jié)構(gòu)較為簡單，流體在單向織物主滲透率方向流動阻礙小，而三維編織織物內(nèi)部纖維交織，取向均勻，主/輔滲透率值差異較小。
2.2 復(fù)合材料方管VARTM工藝樹脂灌注過程的模擬分析
在使用PAM-RTM軟件對復(fù)合材料方管進(jìn)行VARTM工藝樹脂灌注過程仿真模擬時，根據(jù)實(shí)際工藝的工況條件，對仿真模擬參數(shù)進(jìn)行合理預(yù)設(shè)。而仿真模擬參數(shù)中最重要的是碳纖維織物的滲透率以及灌注過程邊界條件的設(shè)置，由于PAM-RTM軟件的自身特點(diǎn)，可以根據(jù)碳纖維織物的主/輔滲透率和方向進(jìn)行定義。仿真模擬過程采用恒壓注射，具體參數(shù)見表3。
表3 仿真模擬相關(guān)參數(shù)Tab. 3 Simulation related parameters
利用三維建模軟件CATIA建立復(fù)合材料方管模型，然后將建立完成的方管模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中，對方管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，針對PAM-RTM軟件的特點(diǎn)，網(wǎng)格劃分為三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸選擇5 mm，網(wǎng)格單元共10 096個；最后將方管模型導(dǎo)入到PAM-RTM軟件中，進(jìn)行仿真模擬基本參數(shù)的設(shè)置和邊界條件設(shè)置，如圖5所示，表面藍(lán)色區(qū)域代表注膠口位置，即實(shí)際工況中的導(dǎo)流網(wǎng)區(qū)域，綠色區(qū)域代表出膠口位置。
圖5 復(fù)合材料方管邊界條件設(shè)置Fig. 5 Setting of boundary conditions for composite square tube根據(jù)復(fù)合材料方管實(shí)際鋪層要求，單向和三維編織織物交替鋪層，對建立的模型進(jìn)行區(qū)域劃分，如圖6所示，Zone1，Zone11，Zone21，Zone31，Zone41分別對應(yīng)單向織物、三維編織織物、單向織物、三維編織織物和單向織物。
圖6 復(fù)合材料方管鋪層區(qū)域劃分Fig. 6 Division of layered areas for composite square tube將相關(guān)模擬參數(shù)以及注膠口和出膠口的位置設(shè)置完成后，運(yùn)行PAM-RTM軟件進(jìn)行計(jì)算，得到復(fù)合材料方管填充時間分布結(jié)果和填充壓力分布結(jié)果，分別如圖7和圖8所示。
圖7 復(fù)合材料方管填充時間分布云圖Fig. 7 Cloud map of filling time distribution for composite square tube
圖8 復(fù)合材料方管填充壓力分布云圖Fig. 8 Cloud map of filling pressure distribution for composite square tube針對圖7復(fù)合材料方管填充時間分布結(jié)果進(jìn)行分析，左側(cè)圖譜中不同顏色代表了不同的填充時間，從藍(lán)色到紅色，填充時間依次增加，同時也表示樹脂浸潤碳纖維增強(qiáng)織物的先后，填充時間分布結(jié)果顯示填充時間為3 897 s。在圖8復(fù)合材料方管填充壓力分布云圖中，左側(cè)圖譜中不同顏色代表了不同位置的壓力分布，從藍(lán)色到紅色，壓力分布呈上升趨勢，藍(lán)色表示真空壓力，紅色表示注射壓力。并且能夠觀察到，距離注膠口越近的區(qū)域壓力越大，而距離出膠口越近的區(qū)域越接近真空壓力。
2.3 復(fù)合材料方管的VARTM成型與分析
2.3.1 復(fù)合材料方管的VARTM成型工藝流程使用VARTM工藝制備單向和三維編織混雜織物復(fù)合材料方管的主要流程如圖9所示。
圖9 VARTM成型工藝流程Fig. 9 VARTM forming process
Wrap peel ply Laying diversion network Vacuum bag sealing
(1)選取合適的硬質(zhì)泡沫作為方管的模具，另一側(cè)采用柔性真空帶包覆，而且采用單側(cè)模具可以降低生產(chǎn)成本。(2)在硬質(zhì)泡沫表面按單向/三維編織/單向/三維編織/單向的鋪層設(shè)計(jì)進(jìn)行鋪層，鋪層完成后再鋪一層脫模布，方便后續(xù)脫模，并在其中一個端口脫模布表面鋪導(dǎo)流介質(zhì)，加快樹脂的流動，減少樹脂灌注時間。(3)在鋪有導(dǎo)流介質(zhì)的一側(cè)接注膠口，另一側(cè)接出膠口，利用柔性真空袋將整套裝置密封，并在出膠口管道處依次連接樹脂收集器和真空泵。(4)檢查裝置的氣密性，若氣密性良好，方可進(jìn)行灌注。2.3.2 復(fù)合材料方管VARTM成型實(shí)驗(yàn)分析在復(fù)合材料方管VARTM灌注成型中，通過大氣壓與真空壓力差將樹脂灌注到柔性真空袋內(nèi)部的單向和三維編織混雜預(yù)成型體中，保持出膠口真空狀態(tài)，觀察樹脂流動前沿的位置，通過使用相機(jī)記錄整個樹脂的灌注過程，并與PAM-RTM軟件得到的樹脂灌注仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10所示。
圖10 基于VARTM的復(fù)合材料方管樹脂灌注過程仿真模擬和實(shí)際成型Fig. 10 Simulation and actual forming of resin infusion process in composite square tube based on VARTM從圖10的復(fù)合材料實(shí)際制備和仿真模擬結(jié)果對比中發(fā)現(xiàn)，在相同的灌注時間下，實(shí)際灌注中的樹脂流動前沿位置要慢于仿真模擬中的樹脂流動前沿位置，灌注時間為92 s時，由于時間較短，觀察不明顯，但從灌注2 124 s和模擬灌注結(jié)束3 897 s可以明顯看出實(shí)際灌注較慢，最終實(shí)際灌注所用時間為4 052 s，誤差約為3.8%，在合理的誤差范圍內(nèi)[22]。而實(shí)際灌注的樹脂流動前沿相較于仿真模擬延后，可能是因?yàn)閷?shí)際灌注的真空壓力并不能像仿真模擬保持絕對真空，也有可能是因?yàn)樵诳椢镤亴訒r制件棱邊處織物發(fā)生變形導(dǎo)致三維編織織物編織角變化引起纖維取向變化，造成實(shí)際灌注時間較長。另外，從3 897 s的填充仿真模擬結(jié)果看出，模型完全被填充，沒有缺陷。圖11為復(fù)合材料方管的固化脫模。將完成灌注的復(fù)合材料方管置入烘箱中，設(shè)置固化程序進(jìn)行加熱固化，固化完成后待自然降溫冷卻到室溫后方可脫模，將泡沫模具處理干凈后可得到復(fù)合材料方管。觀察發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料方管表面沒有產(chǎn)生明顯的缺陷，與仿真模擬得到的結(jié)果一致，說明仿真模擬對復(fù)合材料方管實(shí)際的樹脂灌注具有一定的指導(dǎo)性和可靠性。
圖11 復(fù)合材料方管固化脫模Fig. 11 Curing and demolding of composite square tubes
(a) Curing completed (b) Demoulding
(1)通過非飽和徑向流法測試得到了單向與三維編織織物的滲透率。結(jié)果表明，單向碳纖維各向異性，其樹脂流動前沿呈橢圓形，沿纖維軸向取向度高，滲透率最大；三維編織織物內(nèi)部纖維取向均勻，其流動前沿趨向于圓形，主輔滲透率值差異較小且低于單向碳纖維軸向滲透率。(2)利用PAM-RTM軟件模擬了復(fù)合材料方形管狀結(jié)構(gòu)灌注成型，并通過VARTM工藝制備了復(fù)合材料方管。仿真與實(shí)驗(yàn)制備均無缺陷，灌注時間誤差為3.8%，表明該模型理論數(shù)據(jù)可用于分析驗(yàn)證復(fù)合材料的VARTM成型工藝性。(3)模擬與實(shí)驗(yàn)的誤差在于實(shí)際鋪層灌注過程中，真空度的差異以及方管預(yù)制件棱邊處織物發(fā)生變形引起的纖維取向變化，從而導(dǎo)致該處局部滲透率變小，樹脂浸潤緩慢。
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，
，
，公式(8)可以簡化為式(9)。
處，
(注膠口處壓力)；流動前沿
]，
(流動前沿處的壓力)，求解式(12)得到式(13)：
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