RTM整體成型工藝設計研究范文

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[摘要]

以飛機預冷氣引起口為典型構件，對其成型工藝進行探索，選擇rtm成型工藝并應用PAM-RTM軟件對RTM成型工藝影響參數進行虛擬仿真，確定模具設計的最終參數值。

關鍵詞：

低熔點合金；RTM；整體成型；PAM-RTM；達西定律

“一代材料,一代飛機”正是世界航空發展史的一個真實寫照。輕量化是提高大飛機燃料經濟性，實現節能減排的有效途徑。復合材料用量已成為評價一架飛機先進程度的一項重要指標。中國的大飛機要想在世界有立足之地，就必須順應世界航空發展的趨勢大量使用復合材料[1-3]。隨著復合材料的擴大應用，一些制約因素逐漸暴露出來，特別是制造成本[4]。作為低成本制造技術之一的RTM技術在航空復合材料制造中的地位越來越重要[5]。RTM工藝是一種采用剛性閉合模具制造復合材料的技術，其基本原理是在模具的型腔中預先放置增強材料，合模夾緊后在一定的溫度和壓力下將經靜態混合器混合均勻的樹脂體系注入模具，浸漬增強體后固化，脫模得到復合材料制品[6]。在RTM工藝中，模具的設計和制造對整個生產過程具有決定性影響。要設計和制造出合理的模具，僅僅依賴經驗是不夠的，國內外都開展了RTM工藝的數值模擬技術研究，利用數值模擬對模具設計方案進行檢驗和優化[7]。本文以復合材料飛機預冷氣引起口整體成型為典型構件，對其結構進行工藝性優化，篩選材料。在達西定律的基礎上，引入初始和邊界條件應用PAM-RTM[8]軟件對注膠口、注膠時間、注膠壓力等參數進行模擬，并得出最優的參數輸入到模具設計及成型工藝中。

1工藝設計

1.1設計輸入

1.1.1產品結構預冷氣引起口初步設計方案如圖1（a）所示，該結構有如下特點：（1）預冷氣引起口主體結構端頭為圓形和四邊形混合的不規則曲面，壁厚為2~3mm；（2）該結構由預冷氣引起口主體（上、下）、金屬法蘭和支撐加筋3部分構成；（3）預冷氣引起口主體材料厚度有突變區域，不適合復合材料整體成型；（4）金屬法蘭與預冷氣引起口主體結合界面問題難以處理；（5）支撐加筋結構不能與預冷氣引起口主體整體成型。針對設計要求及復合材料成型工藝特性，對設計進行優化，預冷氣引起口由金屬法蘭框和預冷氣引起口主體組成。法蘭框作為復合材料結構的埋件預埋到結構中，支撐加筋結構與預冷氣引起口主體合為一體結構，如圖1（b）所示。

1.1.2產品材料（1）基體材料Henkel樹脂LM41005.1，參數詳見表1。其固化曲線如圖2所示。（2）增強材料東麗T300碳纖維，其性能參數詳見表2。

1.2工藝總方案預冷氣引起口采用復合材料整體成型，成型面為異型面。為了滿足氣動要求，預冷氣引起口主體內型面要求光滑，產品不允許拼接。預冷氣引起口屬非主承力復雜結構成型，可以選擇SCM或RTM成型，其中RTM成型更能保證壓力的均衡，本項目擬采用RTM成型工藝進行預冷氣引起口的研制，總體方案如圖3所示。

2模具設計與工藝仿真

2.1模具類型及材料選擇預冷氣引起口可拔模性分析如圖4所示，在模具設計中可以采用的模具類型如表3所示，該產品研制周期短，內型面精度要求高，故采用低熔點合金模。在RTM工藝中，選擇合適的低熔點合金材料是技術的關鍵。一方面要求材料具有相對較低的熔融溫度，以保證模具成型及使用；另一方面要求熔芯具有一定的強度和硬度，能夠在成型過程注射壓力和熔體的沖擊作用下維持較高的形狀精度和定位精度。表1樹脂LM41005.1主要參數項目參數值密度/（kg•m-3）1000粘度/（Pa•s）0.2玻璃化轉變溫度/℃160注射溫度/℃約110，最高可達140注射壓力/MPa初始100~300低熔點合金作為模具材料，發展比較成熟，合金溫度隨著合金組分的變化而變化，形成了溫度系列，如表4所示。一般為了保證低熔點合金在產品注膠、固化過程中不熔化，要求所選擇的低熔點合金熔點不低于樹脂固化溫度185℃。考慮到加熱設備和操作方便，低熔點合金熔點應越低越好，范圍選擇200~210℃比較理想。本項目中選用210℃低熔點合金作為芯模材料。

2.2工藝參數仿真

2.2.1樹脂流動模型樹脂在模具中流動一般以達西定律為理論基礎，液體的流動速率Q是由流動過程中的壓力差Δp和液體的粘度決定的，并與流動區域A和流動系數有關，如下式所示。

2.2.2參數模擬PAM-RTM中的填充模擬宏觀上基于達西定律，根據預冷氣引起口結構特點，注膠口設計以下4種方案（如圖5所示）。藍色為方案1，注膠口位置為圓截面端；綠色為方案2，注膠口位置為四邊形截面外輪廓；灰色為方案3，注膠口位置為四邊形截面內輪廓；粉紅色為方案4，注膠口位置為圓截面端+四邊形外輪廓最遠法蘭邊（兩個注膠口，在圖5中被2，3方案遮擋住）。不同注膠口采用相同的工藝參數（表5），仿真不同注膠口位置時注膠時間及注膠過程中注膠壓力。不同注膠口仿真結果如圖6所示。根據仿真云圖，結果匯總如表6所示，從注膠時間及工藝實現的難易程度，最終選擇方案3。

2.3模具結構應用工藝仿真結果進行模具材料選擇及結構設計。根據仿真結果及低熔點合金材料的收縮率，設計拼接結構RTM成型模具（圖7）。

3結論

本文對薄壁異型結構件的成型工藝進行研究，主要得出以下結論：（1）通過工藝可制造性分析，對設計結構進行優化，得出整體成型結構形式，并進行工藝總方案設計；（2）以達西定律為理論基礎，應用PAM-RTM軟件，對不同注膠口注膠過程進行仿真，選擇從四邊形截面內輪廓注膠的結構形式；（3）通過產品拔模分析，選擇合適的模具類型和模具材料，設計RTM成型模具。

參考文獻

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作者：左龍彥 吳文平 王曉蕾 潘韻 居建國 單位：上海復合材料科技有限公司 上海航天樹脂基復合材料工程技術研究中心