碳纤维复合材料引擎盖的RTM工艺仿真

碳纤维复合材料引擎盖的 RTM工艺仿真徐艳 1， 王天圣 2， 张锦光 2， 宋春生 2， 张强 2（1.江苏省连云港鹰游纺机有限公司 科委，江苏 连云港 222000；2. 武汉理工大学 机电学院，武汉 430000）RTM Process Simulation of Carbon Fiber Composite HoodXU Yan1， WANG Tiansheng2， ZHANG Jinguang2， SONG Chunsheng2， ZHANG Qiang2（1.Science Committee，Lianyungang Yingyou Textile Machinery Co.，Ltd，Lianyungang 222000，China；2. Mechanical and ElectricalEngineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430000，China）Abstract： Through molding methods comparison of composites ，RTM process is selected to manufacture carbon fiber hood. By using the process simulation software RTM-Worx，the effects of permeability and the resin injection pressure and the temperature on the preform mold filling time are analyzed. Under certain preconditions of other factors ，the paper concludedthat permeability and injection pressure are inversely proportional to the filling time ，filling time injection temperature and decreasing linear relationship.Key words： carbon fiber composites； hood； RTM； simulation0 引 言汽车引擎盖是汽车覆盖件最重要的组成部分之一， 在汽车使用过程中具有十分重要的作用。现有的汽车引擎盖一般采用“三明治”结构，即内板和外板中间填充有隔热材料的结构形式。汽车车身一直采用钢制的钣金件，不能适应人们对轻 量化和速度的要求。为此许多国外汽车厂家都积极研究和利用复合材料来实现减轻汽车重量，降低油耗和改善风阻系数的目的。要制作的碳纤维汽车引擎盖，应满足以下要求：首 先，要满足较高的刚度、模态的要求，而且工艺质量要稳定。 其次，生产效率要高。再次，提高材料利用率，降低成本。通过对常见的复合材料工艺比较可以发现，综合考 虑原材料、效率、成本和环保因素，要制作大批量的碳纤 维汽车引擎盖，应选择 RTM 工艺。!器，适配电机 37kW。设计伺服控制器接线端子有:运行指令 XT3-1、停止指令 XT3-2、正点指令 XT3-3、反点指令XT3-4、多段速 1 XT3-5、多段速 2 XT3 -6、多段速 3XT3-7、力矩控制 1 XT3-8、力矩控制 2 XT3-9、力矩控制3 XT3-10、零速力矩 XT3-11、力矩回零 XT3-12、输入公 共端 XT3-13、伺服故障 XT3-14、伺服故障 XT3-15。4 结 论此电气控制系统的设计打破了传统设计理念，思路 独特。这一先进的设计方案为试验台实现预期的检测提 供了保障，能够模拟汽车的实际工作状况，具有一定的实用价值和推广价值。参考文献1 郭小蓉, 杨益群. 异步电动机变频调速与节能J. 节能技术，2000（2）：28-29.2 胡佑德，曾乐生,马东升.伺服控制系统原理与设计M.北京：北 京理工大学出版社，1993.（编辑 立 明）!作者简介：李宏（1966），女，副教授，硕士，从事机电教学及科研工作。收稿日期：2014- 07- 06+UVW+UVWKM2+ -+ -装置，有信号转换电路、信号放大装置和执行机构，执行机构和信号放大装置用补偿装置实现闭环控制，作为系 统良好工作性能的保障，同时实现系统内各部件之间的 有效组配。还有相应的电源装置、控制设备、保护装置和 其它一些辅助设备。本方案选用 BKSC-4037 型伺服控制130机械工程师 2014 年第 11 期TX1-1 P1TX1-2 PB1TX1-5 U31TX1-6 V31TX1-7 W31TX2-10U32TX2-11 V32TX2-12 W32TX1-3 P2TX1-4 PB2U33TX1-8TX1-9TX1-10V33W33TX2-13U34TX2-14TX2-15V34W34BK SERVO 控制器安川变频器制动单元、电阻 控制器 电机风机 制动单元、电阻 变频器电机风机U2U2V2V2W2W2A1 A2R S TR S T- 控制器- 变频器GKM1G制动单元制动单元- +- +MMMM制动电阻 1 号电机 1 号风机制动电阻 2 号电机 2 号风机接地钢棒图 2 试验台中变频器和伺服控制器的接线主回路图摘 要：通过对复合材料各种成型方法进行比较，选择 RTM 工艺来制造碳纤维引擎盖。文中采用工艺仿真软件 RTM- W orx，分析了预成型体的渗透率以及树脂注射的压力和温度对充模时间的影响。经分析得出，在其他因素一定的 前提下，渗透率与注射压力分别与充模时间成反比，注射温度与充模时间成线性递减的关系。 关键词：碳纤维复合材料；引擎盖；树脂传递成型（RTM）；仿真中图分类号：TP 391.7文献标志码：A文章编号：10022333（2014）11013003制造业信息化仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION 近来年复合材料也越来越多地出现在汽车零部件中，为 RTM 工艺提供了巨大发展机会。Young 等1-2研究了 RTM 工艺中树脂基体、纤维增强材料和模具之间的热传 递效应，还对树脂润湿纤维过程中的化学反应进行了探 讨。Dimitrovova Z 和 Faria 基于均匀化方法探讨了 RTM 工艺的有限元模型。Gerd M 等采用逆推法研究了 RTM 工 艺在平面内的渗透率相关的张量识别问题。北京航空材料 研究院先进复合材料国防科技重点实验室利用实验的方 法研究了 RTM 成型过程中树脂/纤维界面性能3。中北大 学山西省高分子复合材料工程技术研究中心分析了真空 辅助 RTM 工艺中孔隙的形成机理，并且提出了控制方法。 本文使用 RTM 的方法制作引擎盖外板的工艺，采用 荷兰的 RTM-Worx 软件研究工艺过程中的注射压力，注 射温度（树脂黏度），以及预成型体本身的纤维体积含量对充模时间和工艺缺陷等的影响。1 RTM 工艺的流程和理论基础1.1 RTM 的工艺流程RTM 工艺就是先将纤维增强材料制成的预成型体放 入模腔，然后通过压力将熔化的树脂注入到密闭的模腔当 中，使树脂充分浸渍预成型体，在一定的温度下固化成型。具体流程如下：a.预成型体的制造；b.冲模；c.固化；d.开模。除了纤维体积含量和渗透率，RTM 中还有几个重要 的工艺参数，如注射压力、注射速率和注射温度，会对充模时间和缺陷产生影响。1.2 数值流动模型的理论基础 在注射树脂阶段，树脂注入闭合模腔后，在压力和毛细管现象的作用下迅速浸润增强材料，排出腔中空气。模腔内预成型体的存在，将模腔分成了许多形状和大小都 不均匀的孔隙。树脂在形状大小各不相同的孔隙中的流 动过程十分复杂，按原理的不同大致可以分成两类，其一 是树脂在纤维束之间的流动，即宏观流动，其二是树脂在 纤维束内部的流动，即微观流动。其过程基本符合牛顿流 体在多孔介质中渗流的行为，认为树脂的流动遵循达西 定律，可据此进行分析计算。2 RTM 工艺仿真2.1 碳纤维引擎盖的模型结构及工艺参数设置本文进行 RTM 工艺仿真采用软件是 RTM-Worx。RTM-Worx 的原理是基于有限元方法来计算牛顿流体在 多孔介质中的流动方程，来实现对 RTM 工艺进行仿真分 析的目的。该软件的算法综合了有限元分析和体积包络计算，并以此为核心，计算精确、快速稳定，能够确保在短 时间内提供准确的计算结果。由于碳纤维复合材料引擎盖是蜂窝夹层结构，内外 板为碳纤维板，夹芯层为 PUR 泡沫塑料，无法通过 RTM 工艺进行一体成型。应通过 RTM 工艺加工出内外板，然后和通过注塑制成的夹芯层进行粘接。在此仅针对引擎 盖的外板（或内板，下同）进行工艺分析。本文采用的对象是某款奥迪车的碳纤维复合材料引 擎盖的模型，其 CAD 模型如图 1。引擎盖外板的是一个厚度小、面积大的薄壳结构，为保证在树脂注射过程中有足够低的黏度，应选择 RTM 的 类型为等温 RTM。引擎盖的外板都是轴对称结构，所以 树脂注射口设计在左右对称且高度最低的位置，为简化 分析过程，只安排一个注射口。RTM-Worx 软件会根据注 射口的位置自动优化设计生成溢料口的位置。2.2 渗透率注射压力注射温度对充模时间的影响渗透率是衡量树脂在预成型体内渗流速度 的指标，它本身受材料、 预成型体结构形式、纤维 体积含量等因素的影响。 渗透率的不同会对充模 时间缺陷等造成影响。参 照表 1 的参数，改变渗透 率 ， 仿 真 出 渗 透 率 为表 1 RIM 工艺参数（0.21.8）10-9 m2 充模时间，如图 2，并拟合曲线图图 3，拟合曲线为 T6.97910-7/v。改变注射压力同样会对充模时间产生明显的影响。注射压力的不同除了影响制件的质量，另外对充模时间 也有一定影响4。为减少缺陷的产生，一般选择比较低的 注射压力。参照表 1，改变不同的注射压力，仿真出注射压 力为 20740kPa 的充模时间，如图 4，并拟合曲线图 5，拟 合曲线为 T=374 000/P。对充模过程而言，对温度最敏感的是树脂。不同温度131机械工程师 2014 年第 11 期图 2 渗透率为 110-9 m2 时的充模时间保持恒定的参数参数值渗透率/（10-9m2）K112K220.1注射压力/kPa200纤维体积含量50%外板厚度/mm1铺层角度（/ ）0/0/0/0/0树脂黏度（/ mPas）100图 1 碳纤维复合材料引擎盖模型制造业信息化 MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP拟合曲线拟合曲线对 RTM 工艺充模时间的影响。注射参数包括注射压力、注射温度等，本文针对这两种因素对充模时间的影响规 律和原因进行了简要分析，结论如下：1）渗透率与充模时间成反比关系，渗透率越大，表明预成型体对树脂的导流能力越好，充模时间越短；2）注射压力与充模时间成反比 关系，注射压力越大，树脂的流动速度越快，充模时间越 短。3）注射温度升高时，充模时间缩短。原因是温度越高， 树脂黏度越低，流动性能越好，充模越快。参考文献1 Young W B, Han K, Liou M J. Flow simulation in molds with preplaced fiber matsJ.Polymer Composites，1991，12（5）: 391403.2 Young W B. Thermal behaviors of resin and mold in the process of resin transfer moldingJ. Journal of Reinforced Plastics and Composites，1995，14（4）: 310-331.3 王晋,纪双英,朱亦钢,等. 两维三轴编织结构复合材料的弹道冲 击性能研究J.新材料产业，2011（5）:59-62.4 Gebart B R. Permeability of unidirectional reinforcements forRTM. JJournal of Composite Materials，1992，26 （8）: 1100 -下树脂的黏度不同，如果温度太低，会导 致树脂黏度过大，流 动困难，使得树脂在 流到对应位置之前就 固化了，不仅会导致表 2 不同温度下环氧树脂的黏度温度/黏度（/ mPas）2535455563729316087（编辑 明 涛）1133.!作者简介：徐艳（1962）,女，高级工程师，主要研究方向为纺织机械及碳纤维复合材料零部件的应用； 王天圣（1990），男，硕士研究生，主要研究方向为碳纤维复合材料零部件的设计技术； 张锦光（1966），男，博士学位，教授，主要研究方向为磁悬浮技术和复合材料零部件设计制造技术。通讯作者：张锦光，jgzhang。收稿日期：2014- 07- 21模腔内有些地方树脂浸渍不到而产生缺陷，而且会对充模时间产生不利的影响。表 2 是不同温度下环氧树脂的 黏度。参照表 1，改变不同的注射温度，仿真出注射温度为（2555）C 的充模时间，如图 6，并拟合出曲线图 7。3 结 语 以碳纤维引擎盖板为例，分析了预成型体的渗透率132机械工程师 2014 年第 11 期充模时间/s充模时间/s充模时间/s3 500充模时间 vs.平均渗透率3 0002 5002 0001 5001 0005000.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8平均渗透率（/ 10-3m2）图 3 充模时间与平均渗透率的拟合曲线图 4 注射压力为 20 kPa 时的充模时间充模时间 vs.注射压力18 000拟合曲线16 00014 00012 00010 0008 0006 0004 0002 0000100 200 300 400 500 600 700注射压力/kPa图 5 充模时间与注射压力的拟合曲线图 6 注射温度为 25 时的充模时间12 000充模时间 vs.注射温度11 00010 0009 0008 0007 0006 0005 0004 0003 0002 00025303540455055注射温度/图 7 充模时间与注射温度拟合曲线