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RTM整体成型工艺设计研究

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[摘要]

以飞机预冷气引起口为典型构件,对其成型工艺进行探索,选择RTM成型工艺并应用PAM-RTM软件对RTM成型工艺影响参数进行虚拟仿真,确定模具设计的最终参数值。

关键词:

低熔点合金;RTM;整体成型;PAM-RTM;达西定律

“一代材料,一代飞机”正是世界航空发展史的一个真实写照。轻量化是提高大飞机燃料经济性,实现节能减排的有效途径。复合材料用量已成为评价一架飞机先进程度的一项重要指标。中国的大飞机要想在世界有立足之地,就必须顺应世界航空发展的趋势大量使用复合材料[1-3]。随着复合材料的扩大应用,一些制约因素逐渐暴露出来,特别是制造成本[4]。作为低成本制造技术之一的RTM技术在航空复合材料制造中的地位越来越重要[5]。RTM工艺是一种采用刚性闭合模具制造复合材料的技术,其基本原理是在模具的型腔中预先放置增强材料,合模夹紧后在一定的温度和压力下将经静态混合器混合均匀的树脂体系注入模具,浸渍增强体后固化,脱模得到复合材料制品[6]。在RTM工艺中,模具的设计和制造对整个生产过程具有决定性影响。要设计和制造出合理的模具,仅仅依赖经验是不够的,国内外都开展了RTM工艺的数值模拟技术研究,利用数值模拟对模具设计方案进行检验和优化[7]。本文以复合材料飞机预冷气引起口整体成型为典型构件,对其结构进行工艺性优化,筛选材料。在达西定律的基础上,引入初始和边界条件应用PAM-RTM[8]软件对注胶口、注胶时间、注胶压力等参数进行模拟,并得出最优的参数输入到模具设计及成型工艺中。

1工艺设计

1.1设计输入

1.1.1产品结构预冷气引起口初步设计方案如图1(a)所示,该结构有如下特点:(1)预冷气引起口主体结构端头为圆形和四边形混合的不规则曲面,壁厚为2~3mm;(2)该结构由预冷气引起口主体(上、下)、金属法兰和支撑加筋3部分构成;(3)预冷气引起口主体材料厚度有突变区域,不适合复合材料整体成型;(4)金属法兰与预冷气引起口主体结合界面问题难以处理;(5)支撑加筋结构不能与预冷气引起口主体整体成型。针对设计要求及复合材料成型工艺特性,对设计进行优化,预冷气引起口由金属法兰框和预冷气引起口主体组成。法兰框作为复合材料结构的埋件预埋到结构中,支撑加筋结构与预冷气引起口主体合为一体结构,如图1(b)所示。

1.1.2产品材料(1)基体材料Henkel树脂LM41005.1,参数详见表1。其固化曲线如图2所示。(2)增强材料东丽T300碳纤维,其性能参数详见表2。

1.2工艺总方案预冷气引起口采用复合材料整体成型,成型面为异型面。为了满足气动要求,预冷气引起口主体内型面要求光滑,产品不允许拼接。预冷气引起口属非主承力复杂结构成型,可以选择SCM或RTM成型,其中RTM成型更能保证压力的均衡,本项目拟采用RTM成型工艺进行预冷气引起口的研制,总体方案如图3所示。

2模具设计与工艺仿真

2.1模具类型及材料选择预冷气引起口可拔模性分析如图4所示,在模具设计中可以采用的模具类型如表3所示,该产品研制周期短,内型面精度要求高,故采用低熔点合金模。在RTM工艺中,选择合适的低熔点合金材料是技术的关键。一方面要求材料具有相对较低的熔融温度,以保证模具成型及使用;另一方面要求熔芯具有一定的强度和硬度,能够在成型过程注射压力和熔体的冲击作用下维持较高的形状精度和定位精度。表1树脂LM41005.1主要参数项目参数值密度/(kg•m-3)1000粘度/(Pa•s)0.2玻璃化转变温度/℃160注射温度/℃约110,最高可达140注射压力/MPa初始100~300低熔点合金作为模具材料,发展比较成熟,合金温度随着合金组分的变化而变化,形成了温度系列,如表4所示。一般为了保证低熔点合金在产品注胶、固化过程中不熔化,要求所选择的低熔点合金熔点不低于树脂固化温度185℃。考虑到加热设备和操作方便,低熔点合金熔点应越低越好,范围选择200~210℃比较理想。本项目中选用210℃低熔点合金作为芯模材料。

2.2工艺参数仿真

2.2.1树脂流动模型树脂在模具中流动一般以达西定律为理论基础,液体的流动速率Q是由流动过程中的压力差Δp和液体的粘度决定的,并与流动区域A和流动系数有关,如下式所示。

2.2.2参数模拟PAM-RTM中的填充模拟宏观上基于达西定律,根据预冷气引起口结构特点,注胶口设计以下4种方案(如图5所示)。蓝色为方案1,注胶口位置为圆截面端;绿色为方案2,注胶口位置为四边形截面外轮廓;灰色为方案3,注胶口位置为四边形截面内轮廓;粉红色为方案4,注胶口位置为圆截面端+四边形外轮廓最远法兰边(两个注胶口,在图5中被2,3方案遮挡住)。不同注胶口采用相同的工艺参数(表5),仿真不同注胶口位置时注胶时间及注胶过程中注胶压力。不同注胶口仿真结果如图6所示。根据仿真云图,结果汇总如表6所示,从注胶时间及工艺实现的难易程度,最终选择方案3。

2.3模具结构应用工艺仿真结果进行模具材料选择及结构设计。根据仿真结果及低熔点合金材料的收缩率,设计拼接结构RTM成型模具(图7)。

3结论

本文对薄壁异型结构件的成型工艺进行研究,主要得出以下结论:(1)通过工艺可制造性分析,对设计结构进行优化,得出整体成型结构形式,并进行工艺总方案设计;(2)以达西定律为理论基础,应用PAM-RTM软件,对不同注胶口注胶过程进行仿真,选择从四边形截面内轮廓注胶的结构形式;(3)通过产品拔模分析,选择合适的模具类型和模具材料,设计RTM成型模具。

参考文献

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[2]林一平.复合材料助力大飞机瘦身增效[C].第17届全国复合材料学术会议,北京,2012.LINYP.Highperformancelightweightcompositelargeaircraft[C].TheSeventeenthNationalConferenceonCompositeMaterials,Beijing,2012.

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[6]BECKWITHSW,HYANDCR.Resintransfermolding:adecadeoftechnologyadvances[C].SAMPEJournal,1998,34(6):7-19.

[7]施飞,董湘怀.RTM树脂流动模拟及其对模具设计的意义[J].航空制造技术,2009(20):51-53.SHIF,DONGXH.ResinflowsimulationinRTManditssignificancetomoulddesign[J].AeronauticalManufacturingTechnology,2009(20):51-53.

[8]RENAUDL,RUIZE,BENOITY,etal.PAM-RTMuserguideandtutorials[M].RungisCedex:ESIGroup,2004.

作者:左龙彦 吴文平 王晓蕾 潘韵 居建国 单位:上海复合材料科技有限公司 上海航天树脂基复合材料工程技术研究中心

RTM整体成型工艺设计研究责任编辑:杨雪    阅读:人次