一、概論
在RTM充模過程中，模具型腔內(nèi)填充著纖維預(yù)成型坯，可以稱之為纖維床，其中包含固體相——纖維和流動(dòng)相——空氣。樹脂的充模過程就是保證樹脂流過這些不規(guī)則的孔隙并將空氣置換出去，使樹脂充滿孔隙的過程。樹脂在這些不規(guī)則的孔隙中流動(dòng)是非常復(fù)雜的，同時(shí)存在兩種類型的流動(dòng)，一種是纖維束間的宏觀流動(dòng)，另一種是纖維束內(nèi)的微觀流動(dòng)。這兩種流動(dòng)在充模過程中相互競(jìng)爭(zhēng)，可能導(dǎo)致浸潤不良或氣泡的包裹。
當(dāng)注射壓力較低時(shí)，纖維束內(nèi)的毛細(xì)作用力起主要作用，流體的流動(dòng)前沿形態(tài)如圖（a）所示，纖維束內(nèi)的流動(dòng)前沿領(lǐng)先于纖維束間的流動(dòng)前沿，當(dāng)領(lǐng)先的流體前沿沿橫向流動(dòng)匯合時(shí)，纖維束內(nèi)未被排出的空氣即被包裹，形成纖維束間的大氣泡；反之，當(dāng)注射壓力較高時(shí)，毛細(xì)壓力同動(dòng)力壓力相比作用較小，因而纖維束內(nèi)流體的流動(dòng)前沿落后于纖維束間的流動(dòng)前沿，如圖（b）所示。當(dāng)流動(dòng)前沿橫向流動(dòng)匯合時(shí)，形成纖維束內(nèi)部的小氣泡。氣泡含量是復(fù)合材料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。氣泡的存在使纖維浸潤程度低、粘結(jié)性差，使復(fù)合材料部件的機(jī)械強(qiáng)度不一致及表面質(zhì)量低劣；同時(shí)易引起應(yīng)力集中，引發(fā)裂紋的產(chǎn)生，降低了復(fù)合材料的耐久性、抗疲勞性及耐候性等。
氣泡形成制品的微觀缺陷，主要存在于纖維束間或纖維束內(nèi)單絲間，而干斑的產(chǎn)生則是制品的宏觀缺陷。處理纖維預(yù)成型體時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)成型體彎曲、織物邊緣松散、局部預(yù)成型體滲透性能變化等問題。在裁剪預(yù)成型體時(shí)，一般很難達(dá)到精確的尺寸精度，纖維束的松散性會(huì)使邊緣處的纖維體積含量減小。此外，當(dāng)模具設(shè)計(jì)不合理或合模不當(dāng)時(shí)都容易使預(yù)成型體和模腔壁間及拐角處產(chǎn)生縫隙，而這一縫隙則形成了樹脂的優(yōu)先流道，樹脂在這種通道中的流動(dòng)超前于在預(yù)成型體中的流動(dòng)，破壞了正常的流動(dòng)前沿模式，這種效應(yīng)稱為“邊緣效應(yīng)”或“流道效應(yīng)”。這類由于預(yù)成型體受剪切、壓縮或者壓緊效應(yīng)，尤其是邊緣效應(yīng)引起的增強(qiáng)材料性能變化對(duì)充模過程有重要的影響，易引起纖維浸漬不充分、干斑等問題。一般的流道效應(yīng)區(qū)為毫米級(jí)，在有些情況下，1～2mm的靜流區(qū)對(duì)充模過程也會(huì)有相當(dāng)大的影響，使制品產(chǎn)生大面積的干斑。
二、纖維滲透率
對(duì)RTM工藝充模過程的分析研究都是建立在流體流經(jīng)多孔介質(zhì)的理論基礎(chǔ)上，采用達(dá)西定律為動(dòng)量控制方法。達(dá)西定律由Henry Darcy 于二十世紀(jì)中期根據(jù)一系列是實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的，在土壤學(xué)中有著廣泛應(yīng)用。達(dá)西定律中描述，流體流經(jīng)多孔介質(zhì)的速度與所施加的壓力梯度成正比，而與流體的黏度成反比。達(dá)西定律是動(dòng)量平衡方程的特殊形式，可以直接代入連續(xù)方程，而得到關(guān)于壓力的控制方程。
對(duì)于水平流動(dòng)，不計(jì)重力的情況下，達(dá)西定律可表達(dá)如下：
其中，u(m/s)為流體的速度矢量，K(m2)為預(yù)成型體的滲透率張量，為預(yù)成型體的內(nèi)在屬性，μ (Pa⋅s)為流體的黏度，以及 P (Pa/m)為壓力梯度。可以看出，達(dá)西定律是一種體積上的平均描述，流體和纖維預(yù)成型體之間所有的復(fù)雜的相互作用都依靠滲透率張量來體現(xiàn)，
滲透率是描述充模過程中流體的流動(dòng)特性的關(guān)鍵參數(shù)，獲得準(zhǔn)確的滲透率數(shù)據(jù)對(duì)于獲得和實(shí)際生產(chǎn)相一致的模擬結(jié)果起著重要的作用。對(duì)于各向異性多孔介質(zhì)，滲透率張量可表達(dá)如下：
三、流動(dòng)模擬
RTM工藝的流動(dòng)模擬可以定性的預(yù)測(cè)樹脂流動(dòng)過程。如果輸入的參數(shù)合理可靠，注射壓力、流動(dòng)速率、流動(dòng)狀態(tài)等可以通過模擬準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。建立分析技術(shù)的核心問題是如何獲得輸入的重要參數(shù)數(shù)據(jù)，如滲透率、樹脂化學(xué)流變特性、熱擴(kuò)散以及邊緣流動(dòng)等。這些參數(shù)與復(fù)合材料的樹脂體系、增強(qiáng)材料體系、模具以及工藝等都有緊密的聯(lián)系。
液體流動(dòng)過程有限元模擬理論是當(dāng)今模擬技術(shù)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，目前關(guān)于樹脂流動(dòng)的有限元模擬軟件已趨于成熟，如荷蘭Polyworx公司開發(fā)的RTM-Worx、法國ESI公司開發(fā)的PAM-RTM和美國MoldFlow公司開發(fā)的MOLDFLOW等。應(yīng)用這些流動(dòng)模擬系統(tǒng)，參照實(shí)際產(chǎn)品的使用要求、性能要求和成型工藝等參數(shù)，建立實(shí)際產(chǎn)品有限元模型，可以有效模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)。
通過流動(dòng)模擬技術(shù)在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)過程中應(yīng)用的研究，可以得出流動(dòng)模擬技術(shù)工程化應(yīng)用的一般性流程：
（1）對(duì)制件進(jìn)行計(jì)算機(jī)幾何建模，并借助有限元方法對(duì)模型進(jìn)行有限元剖分；
（2）根據(jù)制件的幾何形狀選擇若干種可行的樹脂注射方式；
（3）選擇和測(cè)定樹脂流動(dòng)模擬所需的各個(gè)參數(shù)，包括注射壓力、預(yù)成型體的滲透率和纖維體積含量，以及樹脂黏度等；
（4）對(duì)各種注射方式的樹脂流動(dòng)過程進(jìn)行模擬；
（5）綜合考慮樹脂流動(dòng)時(shí)間和最后填充位置，以及工藝操作的難易程度等各種因素，選擇最優(yōu)的樹脂注射方式，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。
下面是運(yùn)用RTM-Worx軟件對(duì)天線罩RTM工藝充模過程進(jìn)行模擬的例子。制件的幾何形狀及尺寸如下圖所示：
模擬時(shí)注射壓力設(shè)為0.5MPa，假定增強(qiáng)材料預(yù)成型體各向同性、滲透率為1×10-10m2且分布均勻，纖維體積含量為40％，球冠和工作區(qū)的厚度設(shè)為14mm，圓環(huán)處的厚度設(shè)為20mm，樹脂黏度設(shè)為0.4 Pa•s，模擬結(jié)果如下圖所示：
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