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1、碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的 RTM工藝仿真 徐艷 1， 王天圣 2， 張錦光 2， 宋春生 2， 張 強(qiáng) 2 （1.江蘇省連云港鷹游紡機(jī)有限公司 科委，江蘇 連云港 222000；2. 武漢理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，武漢 430000） RTM Process Simulation of Carbon Fiber Composite Hood XU Yan1， WANG Tiansheng2， ZHANG Jinguang2， SONG Chunsheng2， ZHANG Qiang2 （1.Science Committee，Lianyungang Yingyou T

2、extile Machinery Co.，Ltd，Lianyungang 222000，China；2. Mechanical and Electrical Engineering，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 so

3、ftware 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 concluded that permeability and injection pressure are inversely proportional to the filling

4、 time ，filling time injection temperature and decreasing linear relationship. Key words： carbon fiber composites； hood； RTM； simulation 0 引 言 汽車引擎蓋是汽車覆蓋件最重要的組成部分之一， 在汽車使用過程中具有十分重要的作用?，F(xiàn)有的汽車引 擎蓋一般采用“三明治”結(jié)構(gòu)，即內(nèi)板和外板中間填充有 隔熱材料的結(jié)構(gòu)形式。 汽車車身一直采用鋼制的鈑金件，不能適應(yīng)人們對(duì)輕 量化和速度的要求。為此許多國外汽車廠家都積極研究和 利用復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)減輕汽車

5、重量，降低油耗和改善風(fēng)阻系 數(shù)的目的。要制作的碳纖維汽車引擎蓋，應(yīng)滿足以下要求：首 先，要滿足較高的剛度、模態(tài)的要求，而且工藝質(zhì)量要穩(wěn)定。 其次，生產(chǎn)效率要高。再次，提高材料利用率，降低成本。 通過對(duì)常見的復(fù)合材料工藝比較可以發(fā)現(xiàn)，綜合考 慮原材料、效率、成本和環(huán)保因素，要制作大批量的碳纖 維汽車引擎蓋，應(yīng)選擇 RTM 工藝。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 器，適配電機(jī) 37kW。設(shè)計(jì)伺服控制器接線端子有:運(yùn)行指 令 XT3-1、停止指令 XT3-2、正點(diǎn)指令 XT3-3、反點(diǎn)指令 XT3-4、多

6、段速 1 XT3-5、多段速 2 XT3 -6、多段速 3 XT3-7、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、輸入公 共端 XT3-13、伺服故障 XT3-14、伺服故障 XT3-15。 4 結(jié) 論 此電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，思路 獨(dú)特。這一先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案為試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的檢測提 供了保障，能夠模擬汽車的實(shí)際工作狀況，具有一定的實(shí) 用價(jià)值和推廣價(jià)值。 ［參考文獻(xiàn)］ ［1］ 郭小蓉, 楊益群. 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速與節(jié)能［J］. 節(jié)能技術(shù)， 2000（2）：28-29.

7、［2］ 胡佑德，曾樂生,馬東升.伺服控制系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：北 京理工大學(xué)出版社，1993. （編輯 立 明） !!!!!!!!!! 作者簡介：李宏（1966—），女，副教授，碩士，從事機(jī)電教學(xué)及科研工作。 收稿日期：2014- 07- 06 + UVW + UVW KM2 + - + - 裝置，有信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行 機(jī)構(gòu)和信號(hào)放大裝置用補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，作為系 統(tǒng)良好工作性能的保障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的 有效組配。還有相應(yīng)的電源裝置、控制設(shè)備、保護(hù)裝置和 其它一些輔助設(shè)備。本方案選用 BKSC-4037

8、型伺服控制 130 機(jī)械工程師 2014 年第 11 期 TX1-1 P1 TX1-2 PB1 TX1-5 U31 TX1-6 V31 TX1-7 W31 TX2-10 U32 TX2-11 V32 TX2-12 W32 TX1-3 P2 TX1-4 PB2 U33 TX1-8 TX1-9 TX1-10 V33 W33 TX2-13 U34 TX2-14 TX2-15 V34 W34 BK SERVO 控制器 安川變頻器 制動(dòng)單元、電阻 控制器 電機(jī)風(fēng)機(jī) 制動(dòng)單元、電阻 變頻器 電機(jī)風(fēng)機(jī) U2 U2 V2 V2

9、 W2 W2 A1 A2 R S T R S T - 控制器 - 變頻器 G KM1 G 制動(dòng)單元 制動(dòng)單元 - + - + M M M M 制動(dòng)電阻 1 號(hào)電機(jī) 1 號(hào)風(fēng)機(jī) 制動(dòng)電阻 2 號(hào)電機(jī) 2 號(hào)風(fēng)機(jī) 接地鋼棒 圖 2 試驗(yàn)臺(tái)中變頻器和伺服控制器的接線主回路圖 摘 要：通過對(duì)復(fù)合材料各種成型方法進(jìn)行比較，選擇 RTM 工藝來制造碳纖維引擎蓋。文中采用工藝仿真軟件 RTM- W orx，分析了預(yù)成型體的滲透率以及樹脂注射的壓力和溫度對(duì)充模時(shí)間的影響。經(jīng)分析得出，在其他因素一定的 前提下，滲透率與注射壓力分別與充模時(shí)間成反比

10、，注射溫度與充模時(shí)間成線性遞減的關(guān)系。 關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；引擎蓋；樹脂傳遞成型（RTM）；仿真 中圖分類號(hào)：TP 391.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002－2333（2014）11－0130－03 制造業(yè)信息化 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION 近來年復(fù)合材料也越來越多地出現(xiàn)在汽車零部件 中，為 RTM 工藝提供了巨大發(fā)展機(jī)會(huì)。Young 等［1-2］研究了 RTM 工藝中樹脂基體、纖維增強(qiáng)材料和模具之間的熱傳 遞效應(yīng)，還對(duì)樹脂潤濕纖維過程中的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了探 討。D

11、imitrovova Z 和 Faria 基于均勻化方法探討了 RTM 工藝的有限元模型。Gerd M 等采用逆推法研究了 RTM 工 藝在平面內(nèi)的滲透率相關(guān)的張量識(shí)別問題。北京航空材料 研究院先進(jìn)復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)的方 法研究了 RTM 成型過程中樹脂/纖維界面性能［3］。中北大 學(xué)山西省高分子復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心分析了真空 輔助 RTM 工藝中孔隙的形成機(jī)理，并且提出了控制方法。 本文使用 RTM 的方法制作引擎蓋外板的工藝，采用 荷蘭的 RTM-Worx 軟件研究工藝過程中的注射壓力，注 射溫度（樹脂黏度），以及預(yù)成型體本身的纖維體積含量 對(duì)充模時(shí)間和工藝缺陷等的影

12、響。 1 RTM 工藝的流程和理論基礎(chǔ) 1.1 RTM 的工藝流程 RTM 工藝就是先將纖維增強(qiáng)材料制成的預(yù)成型體放 入模腔，然后通過壓力將熔化的樹脂注入到密閉的模腔當(dāng) 中，使樹脂充分浸漬預(yù)成型體，在一定的溫度下固化成型。具 體流程如下：a.預(yù)成型體的制造；b.沖模；c.固化；d.開模。 除了纖維體積含量和滲透率，RTM 中還有幾個(gè)重要 的工藝參數(shù)，如注射壓力、注射速率和注射溫度，會(huì)對(duì)充 模時(shí)間和缺陷產(chǎn)生影響。 1.2 數(shù)值流動(dòng)模型的理論基礎(chǔ) 在注射樹脂階段，樹脂注入閉合模腔后，在壓力和毛 細(xì)管現(xiàn)象的作用下迅速浸潤增強(qiáng)材料，排出腔中空氣。模 腔內(nèi)預(yù)成型體的存在，將

13、模腔分成了許多形狀和大小都 不均勻的孔隙。樹脂在形狀大小各不相同的孔隙中的流 動(dòng)過程十分復(fù)雜，按原理的不同大致可以分成兩類，其一 是樹脂在纖維束之間的流動(dòng)，即宏觀流動(dòng)，其二是樹脂在 纖維束內(nèi)部的流動(dòng)，即微觀流動(dòng)。其過程基本符合牛頓流 體在多孔介質(zhì)中滲流的行為，認(rèn)為樹脂的流動(dòng)遵循達(dá)西 定律，可據(jù)此進(jìn)行分析計(jì)算。 2 RTM 工藝仿真 2.1 碳纖維引擎蓋的模型結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)設(shè)置 本文進(jìn)行 RTM 工藝仿真采用軟件是 RTM-Worx。 RTM-Worx 的原理是基于有限元方法來計(jì)算牛頓流體在 多孔介質(zhì)中的流動(dòng)方程，來實(shí)現(xiàn)對(duì) RTM 工藝進(jìn)行仿真分 析的目的。該軟件的算法綜合了有限

14、元分析和體積包絡(luò) 計(jì)算，并以此為核心，計(jì)算精確、快速穩(wěn)定，能夠確保在短 時(shí)間內(nèi)提供準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。 由于碳纖維復(fù)合材料引擎蓋是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外 板為碳纖維板，夾芯層為 PUR 泡沫塑料，無法通過 RTM 工藝進(jìn)行一體成型。應(yīng)通過 RTM 工藝加工出內(nèi)外板，然 后和通過注塑制成的夾芯層進(jìn)行粘接。在此僅針對(duì)引擎 蓋的外板（或內(nèi)板，下同）進(jìn)行工藝分析。 本文采用的對(duì)象是某款?yuàn)W迪車的碳纖維復(fù)合材料引 擎蓋的模型，其 CAD 模型如圖 1。 引擎蓋外板的是一個(gè)厚度小、面積大的薄殼結(jié)構(gòu)，為 保證在樹脂注射過程中有足夠低的黏度，應(yīng)選擇 RTM 的 類型為等溫 RTM。引擎蓋的外板都是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)

15、，所以 樹脂注射口設(shè)計(jì)在左右對(duì)稱且高度最低的位置，為簡化 分析過程，只安排一個(gè)注射口。RTM-Worx 軟件會(huì)根據(jù)注 射口的位置自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)生成溢料口的位置。 2.2 滲透率注射壓力注射溫度對(duì)充模時(shí)間的影響 滲透率是衡量樹脂 在預(yù)成型體內(nèi)滲流速度 的指標(biāo)，它本身受材料、 預(yù)成型體結(jié)構(gòu)形式、纖維 體積含量等因素的影響。 滲透率的不同會(huì)對(duì)充模 時(shí)間缺陷等造成影響。參 照表 1 的參數(shù)，改變滲透 率 ， 仿 真 出 滲 透 率 為 表 1 RIM 工藝參數(shù) （0.2～1.8）×10-9 m2 充模時(shí)間，如圖 2，并擬合曲線圖圖 3， 擬合曲線為 T＝6.979×10-7/v。

16、改變注射壓力同樣會(huì)對(duì)充模時(shí)間產(chǎn)生明顯的影響。 注射壓力的不同除了影響制件的質(zhì)量，另外對(duì)充模時(shí)間 也有一定影響［4］。為減少缺陷的產(chǎn)生，一般選擇比較低的 注射壓力。參照表 1，改變不同的注射壓力，仿真出注射壓 力為 20~740kPa 的充模時(shí)間，如圖 4，并擬合曲線圖 5，擬 合曲線為 T=374 000/P。 對(duì)充模過程而言，對(duì)溫度最敏感的是樹脂。不同溫度 131 機(jī)械工程師 2014 年第 11 期 圖 2 滲透率為 1×10-9 m2 時(shí)的充模時(shí)間 保持恒定的參數(shù) 參數(shù)值 滲透率/ （10-9m2） K11 2 K22 0.1 注射壓力/kPa

17、 200 纖維體積含量 50% 外板厚度/mm 1 鋪層角度（/ °） ［0/0/0/0/0］ 樹脂黏度（/ mPa·s） 100 圖 1 碳纖維復(fù)合材料引擎蓋模型 制造業(yè)信息化 MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP 擬合曲線 擬合曲線 對(duì) RTM 工藝充模時(shí)間的影響。注射參數(shù)包括注射壓力、 注射溫度等，本文針對(duì)這兩種因素對(duì)充模時(shí)間的影響規(guī) 律和原因進(jìn)行了簡要分析，結(jié)論如下：1）滲透率與充模時(shí) 間成反比關(guān)系，滲透率越大，表明預(yù)成型體對(duì)樹脂的導(dǎo)流

18、 能力越好，充模時(shí)間越短；2）注射壓力與充模時(shí)間成反比 關(guān)系，注射壓力越大，樹脂的流動(dòng)速度越快，充模時(shí)間越 短。3）注射溫度升高時(shí)，充模時(shí)間縮短。原因是溫度越高， 樹脂黏度越低，流動(dòng)性能越好，充模越快。 ［參考文獻(xiàn)］ ［1］ Young W B, Han K, Liou M J. Flow simulation in molds with preplaced fiber mats［J］.Polymer Composites，1991，12（5）: 391－ 403. ［2］ Young W B. Thermal behaviors of resin and mold in t

19、he process of resin transfer molding［J］. Journal of Reinforced Plastics and Composites，1995，14（4）: 310-331. ［3］ 王晉,紀(jì)雙英,朱亦鋼,等. 兩維三軸編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彈道沖 擊性能研究［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2011（5）:59-62. ［4］ Gebart B R. Permeability of unidirectional reinforcements for RTM［. J］Journal of Composite Materials，1992，26 （8）: 1

20、100 - 下樹脂的黏度不同， 如果溫度太低，會(huì)導(dǎo) 致樹脂黏度過大，流 動(dòng)困難，使得樹脂在 流到對(duì)應(yīng)位置之前就 固化了，不僅會(huì)導(dǎo)致 表 2 不同溫度下環(huán)氧樹脂的黏度 溫度/℃ 黏度（/ mPa·s） 25 35 45 55 637 293 160 87 （編輯 明 濤） 1133. !!!!!!!!!! 作者簡介：徐艷（1962—）,女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械 及碳纖維復(fù)合材料零部件的應(yīng)用； 王天圣（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘祭w維 復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)技術(shù)； 張錦光（1966—），男，博士學(xué)位，教授，主要研究方向?yàn)榇? 懸

21、浮技術(shù)和復(fù)合材料零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)。 通訊作者：張錦光，jgzhang@。 收稿日期：2014- 07- 21 模腔內(nèi)有些地方樹脂浸漬不到而產(chǎn)生缺陷，而且會(huì)對(duì)充 模時(shí)間產(chǎn)生不利的影響。表 2 是不同溫度下環(huán)氧樹脂的 黏度。 參照表 1，改變不同的注射溫度，仿真出注射溫度為 （25～55）°C 的充模時(shí)間，如圖 6，并擬合出曲線圖 7。 3 結(jié) 語 以碳纖維引擎蓋板為例，分析了預(yù)成型體的滲透率 132 機(jī)械工程師 2014 年第 11 期 充模時(shí)間/s 充模時(shí)間/s 充模時(shí)間/s 3 500 充模時(shí)間 vs.平均滲透率 3 000 2 500

22、 2 000 1 500 1 000 500 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 平均滲透率（/ 10-3m2） 圖 3 充模時(shí)間與平均滲透率的擬合曲線 圖 4 注射壓力為 20 kPa 時(shí)的充模時(shí)間 充模時(shí)間 vs.注射壓力 18 000 擬合曲線 16 000 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 100 200 300 400 500 600 700 注射壓力/kPa 圖 5 充模時(shí)間與注射壓力的擬合曲線 圖 6 注射溫度為 25 ℃時(shí)的充模時(shí)間 12 000 充模時(shí)間 vs.注射溫度 11 000 10 000 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 25 30 35 40 45 50 55 注射溫度/℃ 圖 7 充模時(shí)間與注射溫度擬合曲線