三維非等溫rm工藝三維仿真研究

三維非等溫rm工藝三維仿真研究

固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程樹脂擠出（rtm）是一種經(jīng)濟(jì)有效、適合發(fā)展中國家的加工技術(shù)。由于模具，樹脂和纖維之間的熱傳導(dǎo)，以及樹脂固化反應(yīng)釋放的熱量，樹脂充模階段的流動(dòng)是非等溫的。模具填充過程是RTM中非常重要的階段。Laurenzi等以上文獻(xiàn)都對RTM工藝不同階段分別進(jìn)行了深入研究，但是充模階段樹脂發(fā)生固化反應(yīng)必然會(huì)對固化階段產(chǎn)生一定影響。本文基于FLUENT軟件二次開發(fā)了三維非等溫樹脂填充固化共仿真。引入了能量方程和固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。在樹脂非等溫充模過程中會(huì)產(chǎn)生溫度和固化度梯度。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在充模過程中生成的樹脂流動(dòng)方向梯度嚴(yán)重影響固化階段溫度及固化度場平衡。與已知數(shù)據(jù)對比，結(jié)果顯示所開發(fā)程序的準(zhǔn)確性。1數(shù)學(xué)模型1.1增強(qiáng)材料的液體流動(dòng)與其他復(fù)合材料制備工藝相比，RTM工藝的特點(diǎn)是樹脂需要在復(fù)雜的預(yù)成型體中流較長距離。通過纖維增強(qiáng)材料的液體流動(dòng)可被視為通過多孔介質(zhì)的流動(dòng)。在RTM中，可以通過達(dá)西定律表達(dá)通過該介質(zhì)的流量，該定律是對低雷諾數(shù)(雷諾系數(shù)<1)的流動(dòng)狀態(tài)的合理預(yù)測，表達(dá)式為不可壓縮樹脂流過多孔介質(zhì)的連續(xù)性方程的體積平均形式可以表示為將式(2)帶入式(1)得出橢圓平均孔隙壓力的偏微分方程:1.2．纖維介質(zhì)流動(dòng)問題固化度場受復(fù)合制件內(nèi)部溫度分布的影響。它們是產(chǎn)生殘余應(yīng)力和固化變形的直接原因。樹脂通過纖維介質(zhì)的流動(dòng)是非等溫過程，在模具、纖維和樹脂之間發(fā)生熱傳遞。與反應(yīng)熱相關(guān)的溫度場問題實(shí)質(zhì)上是非線性內(nèi)部熱源的傳熱問題。內(nèi)部熱源是通過樹脂的固化反應(yīng)釋放的熱量。樹脂浸漬纖維介質(zhì)中的傳熱能量方程為固化階段樹脂的傳熱能方程為:該方程式中的參數(shù)有溫度T，密度ρ，比熱容c1.3固化動(dòng)力學(xué)方程樹脂的固化取決于溫度，因?yàn)榉磻?yīng)動(dòng)力學(xué)隨溫度而變化。而且，反應(yīng)是放熱的，因此是熱平衡和固化動(dòng)力學(xué)之間的耦合。在本文中，所使用的樹脂固化反應(yīng)方程為式中，k樹脂的粘度取決于溫度和固化程度。在這項(xiàng)研究中使用的粘度方程是被廣泛使用的模型，表達(dá)式為式中，α2基于anasasflunt的數(shù)值模擬本文使用ANSYSFLUENT軟件進(jìn)行樹脂流動(dòng)和固化模擬。ANSYSFLUENT求解器基于有限體積方法，該方法將計(jì)算域離散化為有限數(shù)量的控制體或單元。質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程的通過標(biāo)準(zhǔn)方程式為:以上各項(xiàng)是不穩(wěn)定項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。ANSYSFLUENT中的用戶定義功能(UDF)模塊為用戶提供了輔助開發(fā)界面。應(yīng)用固化放熱源項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)RTM填充固化過程的模擬。具體的仿真過程如圖2所示。首先，設(shè)置所有必要的參數(shù)，并假定充模入口處節(jié)點(diǎn)的控制體積樹脂含量為1。通過施加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來計(jì)算壓力場。這將在每個(gè)時(shí)間步結(jié)束時(shí)給出填充區(qū)域的壓力場。然后根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算出填充區(qū)域的速度場?；谟?jì)算的速度場，通過隱式時(shí)間積分方法求解能量和質(zhì)量方程。根據(jù)新的溫度和固化度計(jì)算粘度值，并根據(jù)新的粘度值重復(fù)上述過程，直到滿足粘度收斂標(biāo)準(zhǔn)為止。最后，重復(fù)所有步驟，直到模具完全充滿樹脂為止。模具填充后，固化階段開始。此階段的初始條件是模具填充結(jié)束時(shí)獲得的溫度和轉(zhuǎn)化率分布，不計(jì)算速度壓力等流動(dòng)方程，只計(jì)算能量方程及固化動(dòng)力學(xué)方程。3充模過程模擬在本節(jié)中，使用三維H型梁示例注射口位于梁的中間，梁的端部是樹脂出口(圖3)。數(shù)值模擬預(yù)測的填充時(shí)間為198s。圖4顯示了填充后制件內(nèi)部的固化程度和溫度分布。在填充階段，樹脂流過纖維時(shí)與纖維和模具之間發(fā)生熱傳遞。樹脂的溫度和固化度隨樹脂的流動(dòng)而增加。由于溫度升高，樹脂固化反應(yīng)的速率加快。這些會(huì)加大流動(dòng)方向上溫度梯度和固化度梯度。同時(shí)，復(fù)合材料制件的導(dǎo)熱率低。這會(huì)導(dǎo)致較高的局部溫度并加劇樹脂的固化反應(yīng)。由于上述原因，制件出口附近的樹脂固化度和溫度高于制件入口處。仿真結(jié)果與Tan等模具填充階段結(jié)束時(shí)的溫度和固化場對固化階段有很大影響。在填充階段之后，使用傳統(tǒng)的兩段升溫曲線來模擬溫度系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的溫度制度下，進(jìn)行仿真獲得每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度和固化程度的曲線(圖5)。在固化的初始階段，樹脂在注入口附近具有較低的固化度和較低的固化速率，這受填充過程的影響。充模引起的橫向溫度和固化程度的差異會(huì)影響固化過程中溫度和固化程度的均勻性。同時(shí)，由于復(fù)合材料的傳熱系數(shù)低，固化階段中心層和表面的溫度存在差異。這些也會(huì)影響部件厚度方向上固化度的均勻性。這些問題會(huì)由于熱應(yīng)變和固化收縮率的差異而導(dǎo)致固化階段的內(nèi)部應(yīng)力，從而影響制件的質(zhì)量，甚至損壞制件。4溫度和固化度梯度本文基于ANSYSFLUENT軟件實(shí)現(xiàn)了三維非等溫樹脂流動(dòng)和固化過程的二次開發(fā)編程。仿真表明，充模過程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的溫度和固化度梯度。將結(jié)果與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模擬