3.5.3澆口位置仿真結(jié)果分析
由于澆口間的距離是一系列連續(xù)的數(shù)值，不可能針對每個值進(jìn)行仿真。根據(jù)上述1 6組仿真結(jié)果，采用插值模擬的方法，利用MATLAB生成以澆口間距X、Y為自變量，充模時間T為因變量的三維曲面，如圖3-13所示，并求得其方程如下：
按照本文中所述艇體尺寸及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)工程實(shí)際中工藝成本估算方法，得出成型過程中材料及人工成本C的關(guān)于澆口間距X，Y的函數(shù)如下：
式(3-7)、(3-8)即是式(3-1)、(3-2)的具體形式。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，取式(3-3)中充模時間和成本的權(quán)值相等（均為1即可），可得優(yōu)化目標(biāo)O與優(yōu)化參數(shù)X、Y，之間的關(guān)系，如圖10所示。圖中曲線為優(yōu)化目標(biāo)O的等值線，可知在圖示范圍內(nèi)存在極小值，為X=2240，Y=423，此時充模時間及成本均滿足約束條件。綜上可知，在前文所述的船體參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)的情況下，澆口間距為X=2240，Y=423時最優(yōu)，為方便鋪設(shè)，可設(shè)為X=2200，Y=400。
3.6本章小節(jié)
本章首先利用pro.E曲面建模功能建立了艇體的三維模型，然后在不影
響準(zhǔn)確度的情況下對艇體模型進(jìn)行簡化，并利用HyperMesh完成網(wǎng)格模型的建立。通過對并行流道布置、魚刺型流道布置、混合流道布置三種常用流道布置方式的仿真分析，對比其充模時間、成型質(zhì)量、成本，最終選取了艇底并行布置、艇側(cè)魚刺型布置的混合流道布置方式。最后，以最短充模時間和最小成本為目標(biāo)，對不同澆口間距下的充模過程進(jìn)行仿真，得出最優(yōu)澆口間距為X= 2200mm，Y=400mm。
第4章艇體鋪層方案可制造性分析
4.1引言
在游艇設(shè)計(jì)過程中，通常對鋪層厚度、鋪層角度、鋪層順序進(jìn)行優(yōu)化，使艇體達(dá)到重量輕、力學(xué)性能好的最佳狀態(tài)。而在艇體制造過程中，除了考慮澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)對充模時間的影響外，還需要考慮的是增強(qiáng)材料按鋪層方案鋪層后形成的預(yù)成型體的滲透率對樹脂流動的影響。不合理的鋪層設(shè)置，可能導(dǎo)致氣泡、干斑等缺陷，嚴(yán)重時將導(dǎo)致艇體的整體報(bào)廢。目前的艇體制造行業(yè)大都忽略了鋪層的本質(zhì)一一滲透率，而是憑經(jīng)驗(yàn)對鋪層方案進(jìn)行選擇，成型后再進(jìn)行質(zhì)量檢測，使艇體成型質(zhì)量和效率大打折扣。針對這種現(xiàn)象，本文從滲透率的角度出發(fā)對給出的鋪層方案進(jìn)行可制造性評價，進(jìn)一步完善艇體的真空導(dǎo)入成型工藝設(shè)計(jì)過程。
本章首先分析常用的鋪層材料特性，然后根據(jù)艇體真空導(dǎo)入成型工藝過程中樹脂的流動特點(diǎn)對鋪層后預(yù)成型體的滲透率進(jìn)行理論推導(dǎo)。最后，利用PAM-RTM對給定鋪層方案下的艇體進(jìn)行充模過程仿真，分析其可制造性。
4.2常用增強(qiáng)材料性能分析
在艇體真空導(dǎo)入成型過程中，先將增強(qiáng)材料按照鋪層方案放入單面剛性陰模中再注射樹脂，纖維在靜態(tài)下與流動的樹脂相浸漬，直到成型后期才與樹脂接觸。這個特點(diǎn)決定了真空導(dǎo)入成型對增強(qiáng)材料的選揮無特別的限制。根據(jù)第二章對增強(qiáng)材料選擇原則的介紹，常用的增強(qiáng)材料[43,44]有下述幾種形式：
(l)單向材料 單向材料是由在一個方向鋪放的無捻粗紗經(jīng)橫向縫合而成的，其主要作用是增強(qiáng)制品的單向強(qiáng)度，也可以在制件形狀變化較大處作為填充料使用。
(2)短切氈 短切氈是把切成50mm長度的原絲或粗紗隨機(jī)均勻分散在網(wǎng)帶上，經(jīng)粘合劑粘合后形成的。短切氈是玻璃鋼成型工藝中的重要原材料，其主要特點(diǎn)是成本低、變形好，但耐沖刷性差。當(dāng)樹脂流動較快時，很容易產(chǎn)生變形，影響預(yù)成型體滲透率。
(3)連續(xù)纖維氈 其成型原理是將連續(xù)纖維原絲以隨機(jī)不定向方式成圈環(huán)狀分布到網(wǎng)帶上。連續(xù)纖維絲的存在使其力學(xué)性能比短切氈強(qiáng)，適合深模腔和表面形狀復(fù)雜的模具，另外還具有耐沖刷的優(yōu)點(diǎn)。
(4)表面氈 表面氈是通過粘合劑將隨機(jī)交錯分布的纖維單絲粘合制成的。其密度較小，適合用作復(fù)合材料表面層的增強(qiáng)材料。對樹脂吸附性好，起到防腐蝕、耐沖擊、耐磨等作用。
(5)縫編氈 縫編氈是通過縫編機(jī)把50-60cm長的纖維縫合而成的。
其制造過程不采用粘合劑，無污染、成本低、滲透性好。
(6)機(jī)織布 最常用的機(jī)織布是方格布。其缺點(diǎn)是鋪覆時容易發(fā)生褶皺和扭曲，不宜鋪放到位，需要使用粘合劑固定。適用于型面變化簡單的產(chǎn)品。
4.3真空導(dǎo)入成型滲透率求解
艇體真空導(dǎo)入成型過程中，增強(qiáng)材料變形包括兩個階段：鋪覆和壓實(shí)。其變化主要體現(xiàn)在三個方面：隨著增強(qiáng)材料在模具表面的鋪覆變形，將改變纖維之間的角度；抽真空后在壓力作用下增強(qiáng)材料預(yù)成型體的厚度變??；沿模具尖銳邊緣可能會留下空隙，增強(qiáng)材料無法完成對模具表面的精準(zhǔn)鋪覆。上述變形對增強(qiáng)材料滲透率張量大小和主方向影響很大。而不同鋪層方案中，不同材料由于其性能的不同，導(dǎo)致的滲透率變化必然不同。因此，必須對各個鋪層方案下的滲透率進(jìn)行分析。
4.3.1滲透率及子L隙率的計(jì)算
滲透率可理解為增強(qiáng)材料能夠被樹脂浸漬的性能，是增強(qiáng)材料的固育特
性，與纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維分布方式、纖維束及其單絲直徑等密切相關(guān)。滲透率數(shù)據(jù)的精確程度直接影響到模擬結(jié)果的可靠性。一般情況下，用張量來表示各向異性增強(qiáng)材料的滲透率，如下：
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在正交各向異性增強(qiáng)材料預(yù)成型體中，局部坐標(biāo)軸與纖維受力主方向相同，此時滲透率張量可表示如下：
制造殼體構(gòu)件時，樹脂的流動主要是在預(yù)成型體的面內(nèi)流動，沿厚度方向的流動很微弱，可以忽略。所以，沿厚度方向的滲透率可以忽略。因此，在這種情況下，滲透率可以簡化為：
制造殼體構(gòu)件時，樹脂的流動主要是在預(yù)成型體的面內(nèi)流動，沿厚度方向的流動很微弱，可以忽略。所以，沿厚度方向的滲透率可以忽略。因此，在這種情況下，滲透率可以簡化為：
艇體真空導(dǎo)入成型過程中，樹脂受壓力差的驅(qū)動而在增強(qiáng)材料預(yù)成型體之間的孔隙中流動，孔隙越大對于樹脂流動的阻礙越小，因此孔隙率與預(yù)成型體的滲透率K的計(jì)算有著密切關(guān)系?？紫堵实亩x就是一個有限空間內(nèi)，孔隙的體積與總體積的比例，以百分比表示[45]。其計(jì)算方法如下：
將單一增強(qiáng)材料鋪層下的孔隙率推廣到多種增強(qiáng)材料鋪層下的孔隙率，其表達(dá)式為：
式中j-增強(qiáng)材料的種數(shù)。
4.3.2導(dǎo)流布滲透率計(jì)算
在實(shí)際生產(chǎn)中，利用樹脂充模之前，一般會進(jìn)行樹脂在預(yù)成型體中的流
動實(shí)驗(yàn)：透過玻璃板觀察在實(shí)時環(huán)境下樹脂在指定預(yù)成型體中的流動情況.根據(jù)艇體制造企業(yè)的現(xiàn)有條件，充分利用上述實(shí)驗(yàn)，本節(jié)根據(jù)樹脂流動前鋒與時間的關(guān)系來確定導(dǎo)流布的滲透率，以提高實(shí)用性。
由對樹脂在模腔內(nèi)的流動分析可知，對于導(dǎo)流布主要考慮其在平面的二維滲透率，忽略其厚度方向上的流動。同時，導(dǎo)流布為正交各向同性介質(zhì)，故有K= = 由Darcy定律可得：
4.3.3預(yù)成型體與剝離層的等效橫向滲透率計(jì)算
通過第二章分析可知，剝離層和增強(qiáng)材料預(yù)成型體主要通過吸收從厚度方向上滲漏的樹脂完成浸潤，因此在進(jìn)行充模仿真時主要考慮其橫向滲透率，即厚度方向的滲透率。本文將預(yù)成型體與剝離層看做一個整體討論其等效滲透率。
國內(nèi)外對增強(qiáng)材料預(yù)成型體的橫向滲透率已經(jīng)做過很多研究[46-49]。由于預(yù)成型體本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難準(zhǔn)確的測出滲透率。另一方面，目前的艇體制業(yè)并不具備進(jìn)行大量試驗(yàn)的條件，而之前的研究表明滲透率之間呈現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。在這種情況下，本文采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測剝離層與預(yù)成型體的橫向滲透率，并給出兩種常用的增強(qiáng)材料的橫向滲透率。
預(yù)成型體可能由多種不同結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)材料組成，從而導(dǎo)致滲透率在各層發(fā)生變化。如果各個鋪層材料的滲透率差別不大，可以把滲透率在厚度方向上進(jìn)行平均[50]，如下：
如果各單層滲透率有數(shù)量級上的差別，需要對上述公式進(jìn)行修正。
4.4鋪層方案仿真分析
分析游艇的運(yùn)行狀況可知其受力主要是艇體底部和艇體側(cè)面受到的波浪沖擊壓力。另外，在艇體艉部由于螺旋槳的存在，其力學(xué)性能要求相比其他區(qū)域更高；在艇艏處所受水流沖擊力高于其他區(qū)域；艇底中部龍骨處由于一直浸在水中，對其抗腐蝕、耐磨、抗氧化等要求更高。綜合上述要求，在艇體鋪層時不同區(qū)域所設(shè)置鋪層方案不同。不同的鋪層方案一般體現(xiàn)在鋪層材料、鋪層角度、鋪層厚度等方面，通過對樹脂在模腔內(nèi)的流動分析可知所有鋪層設(shè)置對樹脂流動乃至最終成型質(zhì)量的影響都體現(xiàn)到滲透率上。所以，相較于針對鋪層材料、角度、厚度的仿真的繁瑣，本節(jié)對不同鋪層方案下的艇體模型進(jìn)行充模仿真，從滲透率的角度分析成型過程中出現(xiàn)的問題。
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