基于VARTM的碳纖維單向與三維編織混雜織物樹(shù)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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碳纖維增強(qiáng)樹(shù)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(shì)，在地鐵列車(chē)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(shí)減少軌道磨損，但傳統(tǒng)鋼質(zhì)轉(zhuǎn)向架約占列車(chē)總重的37%[1]，采用CFRP對(duì)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(chē)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，還可以顯著提高車(chē)輛的安全性能和使用壽命。對(duì)于地鐵轉(zhuǎn)向架側(cè)梁這類(lèi)大型復(fù)雜形狀結(jié)的構(gòu)件，需要對(duì)局部典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行試制并對(duì)樹(shù)脂灌注過(guò)程進(jìn)行分析。以往在試制過(guò)程中通常采用人工試錯(cuò)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(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件試制的主要研究手段，不僅可以對(duì)各種制件進(jìn)行樹(shù)脂灌注模擬，對(duì)過(guò)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(kāi)發(fā)了樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)成型工藝樹(shù)脂灌注過(guò)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(chǎng)的控制方程，并使用控制體積方案跟蹤樹(shù)脂流動(dòng)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(shù)脂灌注充模時(shí)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(cè)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(duì)U型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)成型過(guò)程進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)模擬與實(shí)驗(yàn)制備的樹(shù)脂填充時(shí)間和流動(dòng)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(duì)樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維預(yù)制體的影響，結(jié)果表明樹(shù)脂流動(dòng)前沿、充填時(shí)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(guò)PAM-RTM軟件對(duì)復(fù)合材料電池箱上蓋板的RTM樹(shù)脂充填過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂充模時(shí)間與樹(shù)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(cè)樹(shù)脂灌注過(guò)程中流動(dòng)前沿隨時(shí)間變化趨勢(shì)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(wú)法滿(mǎn)足一些對(duì)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(shì)互補(bǔ)，還可以減少織物不同滲透率對(duì)復(fù)合材料灌注成型過(guò)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(shù)脂復(fù)合材料的成型工藝性，分析樹(shù)脂的流動(dòng)規(guī)律，基于以上研究，筆者對(duì)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(duì)方管進(jìn)行樹(shù)脂灌注模擬并與VARTM工藝制備的方管進(jìn)行對(duì)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(shù)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(shù)脂對(duì)單向和三維編織混雜增強(qiáng)織物的浸潤(rùn)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(shù)脂對(duì)兩種織物的浸潤(rùn)性不盡相同。采用數(shù)值模擬的方法可以將VARTM中的樹(shù)脂灌注過(guò)程可視化，通過(guò)建立不同的模型還可以觀察到每層鋪層樹(shù)脂的浸潤(rùn)程度，預(yù)測(cè)整個(gè)VARTM中樹(shù)脂灌注過(guò)程的灌注時(shí)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(shù)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(shù)脂收集器：RB10-1214，廈門(mén)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(chēng)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(cè)定結(jié)果
2.1.1 單向碳纖維織物面內(nèi)滲透率測(cè)定結(jié)果通過(guò)攝像機(jī)記錄單向織物滲透率(KU)測(cè)定過(guò)程中的樹(shù)脂流動(dòng)前鋒位置，每隔5 s采集一次主/輔滲透率方向t時(shí)刻樹(shù)脂流動(dòng)前鋒位置，由于初始時(shí)刻二甲基硅油測(cè)試液流動(dòng)前鋒并不明顯，因此從10 s開(kāi)始記錄t時(shí)刻樹(shù)脂充模前鋒位置，x方向樹(shù)脂充模前鋒記為rUxe，y方向樹(shù)脂充模前鋒記為rUye，具體結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 單向織物主/輔滲透率方向t時(shí)刻樹(shù)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(duì)表1中單向織物主/輔滲透率方向t時(shí)刻rUxe和rUye處理，得到處理后t時(shí)刻樹(shù)脂充模前鋒位置TUx和TUy，并與灌注時(shí)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(shù)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(cè)定結(jié)果通過(guò)攝像機(jī)記錄三維編織織物滲透率測(cè)定全過(guò)程中的樹(shù)脂流動(dòng)前鋒位置，由于測(cè)定初始時(shí)刻樹(shù)脂流動(dòng)前鋒并不明顯，因此從12 s開(kāi)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(shù)脂流動(dòng)充模前鋒位置，x方向記為rFxe，y方向記為rFye，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
表2 三維編織織物主/輔滲透率方向t時(shí)刻樹(shù)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(guò)公式(18)對(duì)三維編織織物t時(shí)刻rFxe和rFye進(jìn)行處理，得到t時(shí)刻樹(shù)脂充模前鋒位置TFx和TFy，與時(shí)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(shù)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(shù)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(shù)脂流動(dòng)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(shù)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(jiǎn)單，流體在單向織物主滲透率方向流動(dòng)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(shù)脂灌注過(guò)程的模擬分析
2.2.1 樹(shù)脂灌注過(guò)程仿真模擬參數(shù)在使用PAM-RTM軟件對(duì)復(fù)合材料方管進(jìn)行VARTM工藝樹(shù)脂灌注過(guò)程仿真模擬時(shí)，根據(jù)實(shí)際工藝的工況條件，對(duì)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(guò)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(guò)程采用恒壓注射，具體參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 仿真模擬相關(guān)參數(shù)Tab. 3 Simulation related parameters
2.2.2 樹(shù)脂灌注過(guò)程仿真模擬利用三維建模軟件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(duì)方管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，針對(duì)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(gè)；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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)圖7復(fù)合材料方管填充時(shí)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(shí)間，從藍(lán)色到紅色，填充時(shí)間依次增加，同時(shí)也表示樹(shù)脂浸潤(rùn)碳纖維增強(qiáng)織物的先后，填充時(shí)間分布結(jié)果顯示填充時(shí)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(shì)，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(gè)端口脫模布表面鋪導(dǎo)流介質(zhì)，加快樹(shù)脂的流動(dòng)，減少樹(shù)脂灌注時(shí)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(shù)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(guò)大氣壓與真空壓力差將樹(shù)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(shù)脂流動(dòng)前沿的位置，通過(guò)使用相機(jī)記錄整個(gè)樹(shù)脂的灌注過(guò)程，并與PAM-RTM軟件得到的樹(shù)脂灌注仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。
圖10 基于VARTM的復(fù)合材料方管樹(shù)脂灌注過(guò)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(duì)比中發(fā)現(xiàn)，在相同的灌注時(shí)間下，實(shí)際灌注中的樹(shù)脂流動(dòng)前沿位置要慢于仿真模擬中的樹(shù)脂流動(dòng)前沿位置，灌注時(shí)間為92 s時(shí)，由于時(shí)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(shí)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(shù)脂流動(dòng)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(duì)真空，也有可能是因?yàn)樵诳椢镤亴訒r(shí)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(shí)間較長(zhǎng)。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(méi)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(méi)有產(chǎn)生明顯的缺陷，與仿真模擬得到的結(jié)果一致，說(shuō)明仿真模擬對(duì)復(fù)合材料方管實(shí)際的樹(shù)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(guò)非飽和徑向流法測(cè)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(shù)脂流動(dòng)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(dòng)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(guò)VARTM工藝制備了復(fù)合材料方管。仿真與實(shí)驗(yàn)制備均無(wú)缺陷，灌注時(shí)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(guò)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(shù)脂浸潤(rùn)緩慢。
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，
，
，公式(8)可以簡(jiǎn)化為式(9)。
處，
(注膠口處壓力)；流動(dòng)前沿
]，
(流動(dòng)前沿處的壓力)，求解式(12)得到式(13)：
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