复合材料机身Z形隔框RTM成型方案设计与验证.pdf
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1、复合材料科学与工程:/复合材料机身 形隔框 成型方案设计与验证刘钧天 陈吉平 邱春亮 苏佳智(上海飞机制造有限公司 上海 中国商飞复合材料中心 上海)摘要:针对一种典型结构的复合材料机身 形隔框零件进行()成型工艺方案的设计与验证对零件的注射方案进行设计并结合 进行仿真仿真结果显示树脂填充率可达到 研究注射压力与填充时间之间的关系得知随着注射压力增加填充时间先较快速减小后逐步变缓 进行了 成型模具的设计及制造上下模可配合不同的底架完成不同工序的操作并设计手动液压式升降机构解决了 工艺零件脱模困难的问题 对 工艺流程进行设计并完成制造验证结果显示零件无显著内外部缺陷厚度偏差在范围内纤维体积含量基
2、本达到 以上零件型面基本满足要求验证了 形隔框 成型工艺方案的有效性关键词:复合材料 树脂传递模塑成型()形隔框 方案设计 流动仿真中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):().:()收稿日期:基金项目:复材机身二期国家纵向课题()作者简介:刘钧天()男 硕士 工程师 主要从事复合材料制造工艺方面的研究 碳纤维复合材料由于其高比强度、高比模量、抗疲劳、抗腐蚀等特性被广泛应用于民用航空领域其中波音 和空客 中复合材料占比已高达 以上复合材料用量已成为评价飞机先进程度的重要指标 隔框作为机身壁板弧向支撑的主承力件具有结构相对复杂、数量庞大等特点 在民用航空领域国内外一直在追求相关制造工艺的进
3、步目前国内复合材料隔框零件制造主要采用“预成型热压罐固化”的工艺方法工艺过程较为烦琐材料及配套设备成本较为高昂 除此之外热压罐固化成型的隔框零件往往需要工艺盖板才能保证内部质量的均一性这也在一定程度上增加了制造成本故低成本高整体性的成型技术已经成为未来的发展趋势 年第 期复合材料机身 形隔框 成型方案设计与验证作为低成本制造技术之一的树脂传递模塑成型()工艺主要原理是将按结构和性能要求设计的增强材料预成型体铺放在闭合模腔中采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔 模具周围需设置紧固密封及注射排气系统以保证树脂流动顺畅能够在彻底浸润纤维的同时排出模腔中全部气体随后在常温或加热状态下固化成型最终脱模
4、得到复合材料制件 与传统的热压罐成型工艺相比 工艺具有容差控制好、工艺周期短、设计灵活性高、有效限制挥发分(如苯乙烯)的散发等优点最重要的是相比于传统热压罐成型工艺高昂的制造成本 工艺的主要设备和工装相对廉价在民用飞机批产阶段极具优势对于 工艺由于采用闭合模腔成型零件其工装设计要求相对热压罐成型的固化模具更加严格 设计细节上不仅需考虑成型面的轮廓精度还需考虑注胶方案合理、热分布均匀、高压气密性、人性化操作等 注胶方案的选择也至关重要需要保证树脂可以充分浸渍预成型体并有效控制 工艺中经常产生的干斑、孔隙等缺陷保证良好的零件质量目前国内缺少针对隔框类零件进行 成型工艺设计与验证的相关研究本文以一种
5、典型的复材机身 形隔框零件为研究对象针对 成型工艺的特点及难点结合 对注射方案及关键参数进行模拟与优化完成 模具设计及成型工艺设计最终通过 成型工艺制造出满足工程要求的零件验证方案的可行性 实验准备 零件构型复合材料机身典型 形隔框结构示意图如图 所示零件由腹板及内、外缘条构成等截面结构内侧弧长为 半径为 外侧弧长为 半径为 腹板宽为 腹板与内、外缘条夹角均为 零件铺层设计为/图 复材 形隔框结构示意图.工艺材料增强材料采用单面自带 定型剂的 双轴向 碳纤维织物基体树脂使用 固化高温环氧树脂原材料信息如表 所示表 原材料信息 材料牌号供应商干纤维宏发纵横环氧树脂 注射方案设计树脂的注射依据多孔
6、介质中流体 定律即单位面积树脂流动速率(/)正比于预成型体的渗透率()和压力梯度(/)反比于树脂黏度()和流径长度()如式()所示:()该定律为使用 工艺制造零件提供了基本指导方针:保证树脂的黏度处于较低状态提高注射压力使用多个注胶口和排气口来保证注胶速率故树脂注射过程中需控制合理的树脂注射温度以保证树脂在注射过程中有足够宽的低黏度窗口 同时树脂黏度对树脂浸润效果产生较大影响一般较为适合的黏度范围为 树脂黏度太大容易导致纤维束内孔隙同时会由于树脂浸润时间过长导致树脂局部包流的可能性增加树脂黏度太小容易产生纤维束间孔隙 树脂黏温曲线如图 所示根据曲线选择在 进行注胶并使用流变仪对此温度下树脂黏度
7、进行测试发现此时树脂黏度约为 满足注射要求图 树脂黏度随温度变化曲线 年 月复合材料科学与工程 对隔框零件进行树脂注射过程仿真分析以确定最佳注射工艺方案 运用 对零件模型进行几何修补和网格划分使用 进行树脂注射仿真计算 由于复材隔框模型属于薄壳结构厚度方向上的尺寸相较于其他两个方向上的尺寸非常小因此在分析上可基本忽略厚度方向上的树脂流动即将树脂的流动方式由三维流动简化为二维流动提高计算效率 复材 形隔框网格模型如图 所示()网格模型()局部放大图图 复材 形隔框网格模型 注射过程中树脂从注射口流进闭合模具气体和多余的树脂从通气口排出注射口和通气口位置的设置对树脂在闭合模体内流动走向有着直接的影
8、响需保证树脂可以在闭合模具内均匀流动并充分浸渍预成型体 注射口和通气口位置的设计根据 形隔框的尺寸及构型特点沿长度方向进行划分并遵循树脂由低点向高点流动保证充分浸润的原则选择在下方近内缘条处设计三个注胶口上方近外缘条处两端设计两个通气口位置如图 所示 工艺方案拟采用整个注射过程中五个口全部打开的方式保证注射效率 首先选用 的注射压力在 下进行注胶树脂的注射黏度为 根据图 所示注射仿真计算出的零件填充率分布云图树脂填充率等于 表示使用设计的方案进行树脂注射理论上零件不存在树脂浸润不到的部位零件的全部位置均可被树脂有效填充 填充时间分布云图如图 所示对应的填充时间为.图 注射口及通气口位置 图 填
9、充率分布云图 图 填充时间分布云图 在注射口和通气口位置确定可行后对注射参数进行进一步优化以提升实际制造中的效率 保持其他参数不变再采用另外三种不同的注射压力(、和 )进行注胶研究填充时间随注射压力的变化 不同注射压力下填充时间分布云图如图 所示 填充时间及填充时间变化分别见表 和图 可知注射压力与填充时间之间是非线性关系当压力较小时提高注射压力能较为显著地降低填充时间但随着压力的增加其对降低填充时间的影响变小 年第 期复合材料机身 形隔框 成型方案设计与验证()()()()图 不同注射压力下填充时间分布云图 表 不同注射压力下零件填充时间 注射压力/填充时间/.图 不同注射压力下树脂填充时间
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