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复合材料工艺仿真与模具设计研讨

2013/11/07 阅读:

1复合材料传动轴注射过程模拟

复合材料转动轴根据其结构形式可分为整体性和装配型两类。装配型传动轴由于其工艺简单和力学性能良好而被广泛应用,本文直升机尾翼复合材料传动轴的设计采用的是装配型的设计,并采用混合连接即同时使用胶连接和机械连接,其具有连接可靠性大大提高,疲劳强度提高,减轻结构质量等特点,国内外最广泛采用的连接方式。本文复合材料传动轴的设计参数为:长1600mm,外径80mm,壁厚为4mm。

1.1数学模型在RTM工艺的模拟计算中,其数学模型假设制件中的增强材料为刚性体,树脂为不可压缩牛顿流体,其表面张力的影响也被忽略不计;由于模具的模腔的空隙远远大于增强材料间的孔隙,故树脂的流动可以利用牛顿流体通过多孔介质的达西定律来描述,其Darcy方程可写成以下形式:其边界条件为:在流动的前沿,压力值P=0;在注射口,常压注塑时,压力值P=P0,常流率注射时V=V0;在模具壁处,。

1.2注射过程模拟应用的RTM仿真软件为Polyworx公司的RTM-Worx,其是树脂注射工艺领域内具有世界领先地位的数字化仿真分析软件。目前,RTM-Worx已经被广泛地应用在世界各地的航空、航天、材料加工、风力发电机等各个行业的复合材料结构设计领域。RTM成型工艺中,工艺参数如注胶口、注射温度、注射压力、树脂的性能、真空辅助成型时的真空度的大小、排气口的位置和纤维含量和结构等都会影响到复合材料产品的性能。因此使用该软件进行注射过程的仿真分析,可合理地确定注胶口、注射温度、注射压力和溢料口,从而大大提高模具设计的质量和效率,为模具设计提供设计参考,降低模具设计的成本。还可估计注射的时间,合理确定各个工艺参数,再进行小量试验就可以得到高性能的产品。

由于在RTM产品中,模具的设计和制造对整个生产过程具有非常重要的影响,为了设计出合理的模具,仅仅依靠经验是不够的,因此RTM产品的结构设计完成后,为了确定和优化注射过程中的工艺参数,必须在RTM工艺仿真软件中对产品的注射过程进行模拟。这样,通过对注射过程的相关数据的分析,可得到很多对模具设计和制造有用的数据,则可以对可能出现的缺陷进行预测并制定改进方案,故势必降低模具设计的成本,提高模具的效率和质量。

复合材料传动轴在RTM-Worx中有限元模型如图1所示。复合材料传动轴的RTM-Worx注射过程压力变化如图2所示。充模结束后,采用颜色渐变来显示填充时间的变化,如图3所示;RTM-Worx还支持多项结果同时显示,图4是填充时间和填充压力共同经分析与比较确定了注塑过程的最佳工艺方案为:注胶口放在传动轴的一端,溢料口放在另一端,注射压力P=0.1MPa,树脂粘度为η=10Pa•s。模拟的注射时间如图3所示为50.7s。

2复合材料传动轴的模具设计

2.1模具设计的要求RTM工艺中模具的设计应该遵循结构简单合理、经济实用和功能齐全的原则。模具的设计受到诸多因素的影响,主要需要满足以下要求:①模具材料应该具有良好的机械和热学性能。②为了保证RTM产品的尺寸准确,模具的加工精度必须得到保证。③模具中注胶口和出胶口应该合理配置。④模具应具有准确的定位结构;⑤如果需要,模具应该具有供热和冷却装置。⑥为保证模具内部的压力与真空度及防止树脂泄漏,模具应具有完善的密封结构。⑦RTM模具的制造成本一般较高,故设计中应尽可能降低模具的成本。

2.2模具材料的选择制造RTM模具的材料很多,例如铸铁、碳钢、复合材料和铝等。模具材料的选择一般取决于模具的数量、使用寿命、产品精度和树脂的种类等因素,而且必须具有以下的机械和热学性能:较佳的耐腐蚀性能,较好的机械加工、焊接、表面抛光等性能,较高的抗张强度、压缩强度等,较好的热学性能。本文复合材料的传动轴采用T300的碳纤维作为增强体,树脂使用的是中温固化的环氧树脂。由于热作模具钢ZG5CrNiMo与碳纤维预浸料的热膨胀系数最为相近,模具材料选用的是模具钢ZG5CrNiMo。

2.3型芯的设计考虑到模具的制造成本和重量,型芯材料为45钢,形状为空心轴,两端配合连接端以备型芯的定位,空心轴与两端的连接端以胶连接的方式连接。型芯的结构如图5所示。

2.4模具分型面设计模具分型面的设计必须考虑模具机械加工的难度以及费用的高低、产品的精度、操作的便利性和模具的重量等因素。本文的复合材料传动轴结构比较简单,故采用对称的方式由上下两个阴模组成,其结构如图6所示。

2.5注胶口和出胶口位置设计RTM模具的注胶口和出胶口的位置直接影响到产品的空隙含量,而空隙含量的多少直接影响到产品的性能,故其位置非常重要,为了降低空隙含量,生产上广泛采用在模具设置排气孔及抽真空技术。本文综合考虑了注射时间、空隙含量和模具的复杂度,将注胶口和出胶口分别放在模具的两端,其直径约为8mm。具体设计如图7所示。由于模具为长方形,故在注胶口和出胶口设置一个圆形的环槽,目的是为了树脂在流动的过程中能平行地向前流动,使增强材料得到均匀浸润,产品性能分散性小。如果不设置树脂流动的环形槽,在树脂流动的过程中会形成三角流动,出现浸润的死角,使树脂的浸润不充分,严重影响产品性能。环形槽的设计如图8所示。

2.6模具的密封设计为了防止树脂的溢出和保证模具内部的真空度,上下模之间和两端的封盖之间都采用O形密封圈密封,密封槽的大小取决于模具的尺寸的大小,本文取密封槽的宽度为10mm,为了减轻树脂沿边部流动、降低夹紧力,应使密封槽尽量靠近模具的内边。

2.7模具装配图复合材料传动轴模具的装配剖面如图9所示。由图示可知,环形槽的作用除了有使树脂均匀流动的作用外,当卸除型芯时,其所形成的环形结构可以作为卸除型芯的辅助装置,其设计合理。此模具已经完成生产,并进行了注塑试验,取得了良好效果。

2.8复合材料传动轴的制备采用前文RTM-Worx模拟优化的工艺方案和设计的模具进行了复合材料传动轴的实际充模制造,所制备的复合材料传动轴的内外壁表面光滑平整,纤维浸渍完全,没有明显的缺陷,如图10所示,且实际充模时间为1min左右,与模拟结果吻合得较好。

3结果与分析

所设计的直升机尾翼传动轴传递的最大功率430kW,工作转速为3009r/min。直升机尾翼传动轴在工作中只承受扭矩作用,在强度计算中截面的最大工作应力必须保证小于复合材料的强度极限。把传动轴传递的最大功率、工作转速、外径和内径代入公式(5)、(6)、(7)中,可得传动轴承受最大剪切应力为39.19MPa,通过试验得到制备的传动轴的剪切应力为52.6MPa,由以上数据可得制备的传动轴满足设计要求。

4结论

在复合材料制品中,模具的设计和制造对制品的质量起着决定性的作用。为了设计出合理的模具,仅仅依靠经验是不够的,本文利用RTM-Worx软件对复合材料传动轴的充模过程进行了模拟,合理优化RTM工艺参数。并基于数值模拟结果对模具设计方案进行检验和优化。通过实验验证,模拟的结果和实际充模的结果基本吻合,制备的传动轴的性能也达到要求,以此提高直升机尾翼传动轴的性能,并间接降低了直升机的质量和提高了直升机的整体性能。

作者:范勇 冷晟余宁聂志单位:南京航空航天大学机电学院成都飞机工业(集团)有限责任公司

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