復合材料工藝仿真與模具設計研討范文

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1復合材料傳動軸注射過程模擬

復合材料轉(zhuǎn)動軸根據(jù)其結(jié)構形式可分為整體性和裝配型兩類。裝配型傳動軸由于其工藝簡單和力學性能良好而被廣泛應用，本文直升機尾翼復合材料傳動軸的設計采用的是裝配型的設計，并采用混合連接即同時使用膠連接和機械連接，其具有連接可靠性大大提高，疲勞強度提高，減輕結(jié)構質(zhì)量等特點，國內(nèi)外最廣泛采用的連接方式。本文復合材料傳動軸的設計參數(shù)為：長1600mm，外徑80mm，壁厚為4mm。

1.1數(shù)學模型在RTM工藝的模擬計算中，其數(shù)學模型假設制件中的增強材料為剛性體，樹脂為不可壓縮牛頓流體，其表面張力的影響也被忽略不計；由于模具的模腔的空隙遠遠大于增強材料間的孔隙，故樹脂的流動可以利用牛頓流體通過多孔介質(zhì)的達西定律來描述，其Darcy方程可寫成以下形式：其邊界條件為：在流動的前沿，壓力值P=0；在注射口，常壓注塑時，壓力值P=P0，常流率注射時V=V0；在模具壁處，。

1.2注射過程模擬應用的RTM仿真軟件為Polyworx公司的RTM-Worx，其是樹脂注射工藝領域內(nèi)具有世界領先地位的數(shù)字化仿真分析軟件。目前，RTM-Worx已經(jīng)被廣泛地應用在世界各地的航空、航天、材料加工、風力發(fā)電機等各個行業(yè)的復合材料結(jié)構設計領域。RTM成型工藝中，工藝參數(shù)如注膠口、注射溫度、注射壓力、樹脂的性能、真空輔助成型時的真空度的大小、排氣口的位置和纖維含量和結(jié)構等都會影響到復合材料產(chǎn)品的性能。因此使用該軟件進行注射過程的仿真分析，可合理地確定注膠口、注射溫度、注射壓力和溢料口，從而大大提高模具設計的質(zhì)量和效率，為模具設計提供設計參考，降低模具設計的成本。還可估計注射的時間，合理確定各個工藝參數(shù)，再進行小量試驗就可以得到高性能的產(chǎn)品。

由于在RTM產(chǎn)品中，模具的設計和制造對整個生產(chǎn)過程具有非常重要的影響，為了設計出合理的模具，僅僅依靠經(jīng)驗是不夠的，因此RTM產(chǎn)品的結(jié)構設計完成后，為了確定和優(yōu)化注射過程中的工藝參數(shù)，必須在RTM工藝仿真軟件中對產(chǎn)品的注射過程進行模擬。這樣，通過對注射過程的相關數(shù)據(jù)的分析，可得到很多對模具設計和制造有用的數(shù)據(jù)，則可以對可能出現(xiàn)的缺陷進行預測并制定改進方案，故勢必降低模具設計的成本，提高模具的效率和質(zhì)量。

復合材料傳動軸在RTM-Worx中有限元模型如圖1所示。復合材料傳動軸的RTM-Worx注射過程壓力變化如圖2所示。充模結(jié)束后，采用顏色漸變來顯示填充時間的變化，如圖3所示；RTM-Worx還支持多項結(jié)果同時顯示，圖4是填充時間和填充壓力共同經(jīng)分析與比較確定了注塑過程的最佳工藝方案為：注膠口放在傳動軸的一端，溢料口放在另一端，注射壓力P=0.1MPa，樹脂粘度為η=10Pa•s。模擬的注射時間如圖3所示為50.7s。

2復合材料傳動軸的模具設計

2.1模具設計的要求RTM工藝中模具的設計應該遵循結(jié)構簡單合理、經(jīng)濟實用和功能齊全的原則。模具的設計受到諸多因素的影響，主要需要滿足以下要求：①模具材料應該具有良好的機械和熱學性能。②為了保證RTM產(chǎn)品的尺寸準確，模具的加工精度必須得到保證。③模具中注膠口和出膠口應該合理配置。④模具應具有準確的定位結(jié)構；⑤如果需要，模具應該具有供熱和冷卻裝置。⑥為保證模具內(nèi)部的壓力與真空度及防止樹脂泄漏，模具應具有完善的密封結(jié)構。⑦RTM模具的制造成本一般較高，故設計中應盡可能降低模具的成本。

2.2模具材料的選擇制造RTM模具的材料很多，例如鑄鐵、碳鋼、復合材料和鋁等。模具材料的選擇一般取決于模具的數(shù)量、使用壽命、產(chǎn)品精度和樹脂的種類等因素，而且必須具有以下的機械和熱學性能：較佳的耐腐蝕性能，較好的機械加工、焊接、表面拋光等性能，較高的抗張強度、壓縮強度等，較好的熱學性能。本文復合材料的傳動軸采用T300的碳纖維作為增強體，樹脂使用的是中溫固化的環(huán)氧樹脂。由于熱作模具鋼ZG5CrNiMo與碳纖維預浸料的熱膨脹系數(shù)最為相近，模具材料選用的是模具鋼ZG5CrNiMo。

2.3型芯的設計考慮到模具的制造成本和重量，型芯材料為45鋼，形狀為空心軸，兩端配合連接端以備型芯的定位，空心軸與兩端的連接端以膠連接的方式連接。型芯的結(jié)構如圖5所示。

2.4模具分型面設計模具分型面的設計必須考慮模具機械加工的難度以及費用的高低、產(chǎn)品的精度、操作的便利性和模具的重量等因素。本文的復合材料傳動軸結(jié)構比較簡單，故采用對稱的方式由上下兩個陰模組成，其結(jié)構如圖6所示。

2.5注膠口和出膠口位置設計RTM模具的注膠口和出膠口的位置直接影響到產(chǎn)品的空隙含量，而空隙含量的多少直接影響到產(chǎn)品的性能，故其位置非常重要，為了降低空隙含量，生產(chǎn)上廣泛采用在模具設置排氣孔及抽真空技術。本文綜合考慮了注射時間、空隙含量和模具的復雜度，將注膠口和出膠口分別放在模具的兩端，其直徑約為8mm。具體設計如圖7所示。由于模具為長方形，故在注膠口和出膠口設置一個圓形的環(huán)槽，目的是為了樹脂在流動的過程中能平行地向前流動，使增強材料得到均勻浸潤，產(chǎn)品性能分散性小。如果不設置樹脂流動的環(huán)形槽，在樹脂流動的過程中會形成三角流動，出現(xiàn)浸潤的死角，使樹脂的浸潤不充分，嚴重影響產(chǎn)品性能。環(huán)形槽的設計如圖8所示。

2.6模具的密封設計為了防止樹脂的溢出和保證模具內(nèi)部的真空度，上下模之間和兩端的封蓋之間都采用O形密封圈密封，密封槽的大小取決于模具的尺寸的大小，本文取密封槽的寬度為10mm，為了減輕樹脂沿邊部流動、降低夾緊力，應使密封槽盡量靠近模具的內(nèi)邊。

2.7模具裝配圖復合材料傳動軸模具的裝配剖面如圖9所示。由圖示可知，環(huán)形槽的作用除了有使樹脂均勻流動的作用外，當卸除型芯時，其所形成的環(huán)形結(jié)構可以作為卸除型芯的輔助裝置，其設計合理。此模具已經(jīng)完成生產(chǎn)，并進行了注塑試驗，取得了良好效果。

2.8復合材料傳動軸的制備采用前文RTM-Worx模擬優(yōu)化的工藝方案和設計的模具進行了復合材料傳動軸的實際充模制造，所制備的復合材料傳動軸的內(nèi)外壁表面光滑平整，纖維浸漬完全，沒有明顯的缺陷，如圖10所示，且實際充模時間為1min左右，與模擬結(jié)果吻合得較好。

3結(jié)果與分析

所設計的直升機尾翼傳動軸傳遞的最大功率430kW，工作轉(zhuǎn)速為3009r/min。直升機尾翼傳動軸在工作中只承受扭矩作用，在強度計算中截面的最大工作應力必須保證小于復合材料的強度極限。把傳動軸傳遞的最大功率、工作轉(zhuǎn)速、外徑和內(nèi)徑代入公式(5)、(6)、(7)中，可得傳動軸承受最大剪切應力為39.19MPa，通過試驗得到制備的傳動軸的剪切應力為52.6MPa，由以上數(shù)據(jù)可得制備的傳動軸滿足設計要求。

4結(jié)論

在復合材料制品中，模具的設計和制造對制品的質(zhì)量起著決定性的作用。為了設計出合理的模具，僅僅依靠經(jīng)驗是不夠的，本文利用RTM-Worx軟件對復合材料傳動軸的充模過程進行了模擬，合理優(yōu)化RTM工藝參數(shù)。并基于數(shù)值模擬結(jié)果對模具設計方案進行檢驗和優(yōu)化。通過實驗驗證，模擬的結(jié)果和實際充模的結(jié)果基本吻合，制備的傳動軸的性能也達到要求，以此提高直升機尾翼傳動軸的性能，并間接降低了直升機的質(zhì)量和提高了直升機的整體性能。

作者：范勇 冷晟余寧聶志單位：南京航空航天大學機電學院成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司