RTM整體成型工藝設(shè)計(jì)研究范文

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[摘要]

以飛機(jī)預(yù)冷氣引起口為典型構(gòu)件，對(duì)其成型工藝進(jìn)行探索，選擇rtm成型工藝并應(yīng)用PAM-RTM軟件對(duì)RTM成型工藝影響參數(shù)進(jìn)行虛擬仿真，確定模具設(shè)計(jì)的最終參數(shù)值。

關(guān)鍵詞：

低熔點(diǎn)合金；RTM；整體成型；PAM-RTM；達(dá)西定律

“一代材料,一代飛機(jī)”正是世界航空發(fā)展史的一個(gè)真實(shí)寫照。輕量化是提高大飛機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。復(fù)合材料用量已成為評(píng)價(jià)一架飛機(jī)先進(jìn)程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。中國的大飛機(jī)要想在世界有立足之地，就必須順應(yīng)世界航空發(fā)展的趨勢(shì)大量使用復(fù)合材料[1-3]。隨著復(fù)合材料的擴(kuò)大應(yīng)用，一些制約因素逐漸暴露出來，特別是制造成本[4]。作為低成本制造技術(shù)之一的RTM技術(shù)在航空復(fù)合材料制造中的地位越來越重要[5]。RTM工藝是一種采用剛性閉合模具制造復(fù)合材料的技術(shù)，其基本原理是在模具的型腔中預(yù)先放置增強(qiáng)材料，合模夾緊后在一定的溫度和壓力下將經(jīng)靜態(tài)混合器混合均勻的樹脂體系注入模具，浸漬增強(qiáng)體后固化，脫模得到復(fù)合材料制品[6]。在RTM工藝中，模具的設(shè)計(jì)和制造對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程具有決定性影響。要設(shè)計(jì)和制造出合理的模具，僅僅依賴經(jīng)驗(yàn)是不夠的，國內(nèi)外都開展了RTM工藝的數(shù)值模擬技術(shù)研究，利用數(shù)值模擬對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)和優(yōu)化[7]。本文以復(fù)合材料飛機(jī)預(yù)冷氣引起口整體成型為典型構(gòu)件，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性優(yōu)化，篩選材料。在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，引入初始和邊界條件應(yīng)用PAM-RTM[8]軟件對(duì)注膠口、注膠時(shí)間、注膠壓力等參數(shù)進(jìn)行模擬，并得出最優(yōu)的參數(shù)輸入到模具設(shè)計(jì)及成型工藝中。

1工藝設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)輸入

1.1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)預(yù)冷氣引起口初步設(shè)計(jì)方案如圖1（a）所示，該結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：（1）預(yù)冷氣引起口主體結(jié)構(gòu)端頭為圓形和四邊形混合的不規(guī)則曲面，壁厚為2~3mm；（2）該結(jié)構(gòu)由預(yù)冷氣引起口主體（上、下）、金屬法蘭和支撐加筋3部分構(gòu)成；（3）預(yù)冷氣引起口主體材料厚度有突變區(qū)域，不適合復(fù)合材料整體成型；（4）金屬法蘭與預(yù)冷氣引起口主體結(jié)合界面問題難以處理；（5）支撐加筋結(jié)構(gòu)不能與預(yù)冷氣引起口主體整體成型。針對(duì)設(shè)計(jì)要求及復(fù)合材料成型工藝特性，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)冷氣引起口由金屬法蘭框和預(yù)冷氣引起口主體組成。法蘭框作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的埋件預(yù)埋到結(jié)構(gòu)中，支撐加筋結(jié)構(gòu)與預(yù)冷氣引起口主體合為一體結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。

1.1.2產(chǎn)品材料（1）基體材料Henkel樹脂LM41005.1，參數(shù)詳見表1。其固化曲線如圖2所示。（2）增強(qiáng)材料東麗T300碳纖維，其性能參數(shù)詳見表2。

1.2工藝總方案預(yù)冷氣引起口采用復(fù)合材料整體成型，成型面為異型面。為了滿足氣動(dòng)要求，預(yù)冷氣引起口主體內(nèi)型面要求光滑，產(chǎn)品不允許拼接。預(yù)冷氣引起口屬非主承力復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型，可以選擇SCM或RTM成型，其中RTM成型更能保證壓力的均衡，本項(xiàng)目擬采用RTM成型工藝進(jìn)行預(yù)冷氣引起口的研制，總體方案如圖3所示。

2模具設(shè)計(jì)與工藝仿真

2.1模具類型及材料選擇預(yù)冷氣引起口可拔模性分析如圖4所示，在模具設(shè)計(jì)中可以采用的模具類型如表3所示，該產(chǎn)品研制周期短，內(nèi)型面精度要求高，故采用低熔點(diǎn)合金模。在RTM工藝中，選擇合適的低熔點(diǎn)合金材料是技術(shù)的關(guān)鍵。一方面要求材料具有相對(duì)較低的熔融溫度，以保證模具成型及使用；另一方面要求熔芯具有一定的強(qiáng)度和硬度，能夠在成型過程注射壓力和熔體的沖擊作用下維持較高的形狀精度和定位精度。表1樹脂LM41005.1主要參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)值密度/（kg•m-3）1000粘度/（Pa•s）0.2玻璃化轉(zhuǎn)變溫度/℃160注射溫度/℃約110，最高可達(dá)140注射壓力/MPa初始100~300低熔點(diǎn)合金作為模具材料，發(fā)展比較成熟，合金溫度隨著合金組分的變化而變化，形成了溫度系列，如表4所示。一般為了保證低熔點(diǎn)合金在產(chǎn)品注膠、固化過程中不熔化，要求所選擇的低熔點(diǎn)合金熔點(diǎn)不低于樹脂固化溫度185℃。考慮到加熱設(shè)備和操作方便，低熔點(diǎn)合金熔點(diǎn)應(yīng)越低越好，范圍選擇200~210℃比較理想。本項(xiàng)目中選用210℃低熔點(diǎn)合金作為芯模材料。

2.2工藝參數(shù)仿真

2.2.1樹脂流動(dòng)模型樹脂在模具中流動(dòng)一般以達(dá)西定律為理論基礎(chǔ)，液體的流動(dòng)速率Q是由流動(dòng)過程中的壓力差Δp和液體的粘度決定的，并與流動(dòng)區(qū)域A和流動(dòng)系數(shù)有關(guān)，如下式所示。

2.2.2參數(shù)模擬PAM-RTM中的填充模擬宏觀上基于達(dá)西定律，根據(jù)預(yù)冷氣引起口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，注膠口設(shè)計(jì)以下4種方案（如圖5所示）。藍(lán)色為方案1，注膠口位置為圓截面端；綠色為方案2，注膠口位置為四邊形截面外輪廓；灰色為方案3，注膠口位置為四邊形截面內(nèi)輪廓；粉紅色為方案4，注膠口位置為圓截面端+四邊形外輪廓最遠(yuǎn)法蘭邊（兩個(gè)注膠口，在圖5中被2，3方案遮擋住）。不同注膠口采用相同的工藝參數(shù)（表5），仿真不同注膠口位置時(shí)注膠時(shí)間及注膠過程中注膠壓力。不同注膠口仿真結(jié)果如圖6所示。根據(jù)仿真云圖，結(jié)果匯總?cè)绫?所示，從注膠時(shí)間及工藝實(shí)現(xiàn)的難易程度，最終選擇方案3。

2.3模具結(jié)構(gòu)應(yīng)用工藝仿真結(jié)果進(jìn)行模具材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真結(jié)果及低熔點(diǎn)合金材料的收縮率，設(shè)計(jì)拼接結(jié)構(gòu)RTM成型模具（圖7）。

3結(jié)論

本文對(duì)薄壁異型結(jié)構(gòu)件的成型工藝進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：（1）通過工藝可制造性分析，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得出整體成型結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行工藝總方案設(shè)計(jì)；（2）以達(dá)西定律為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用PAM-RTM軟件，對(duì)不同注膠口注膠過程進(jìn)行仿真，選擇從四邊形截面內(nèi)輪廓注膠的結(jié)構(gòu)形式；（3）通過產(chǎn)品拔模分析，選擇合適的模具類型和模具材料，設(shè)計(jì)RTM成型模具。

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作者：左龍彥 吳文平 王曉蕾 潘韻 居建國 單位：上海復(fù)合材料科技有限公司 上海航天樹脂基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心