学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

树脂传递模塑工艺过程的数值模拟

作　者: 杨俊英
导　师: 孙胜
学　校: 山东大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 树脂传递模塑数值模拟有限体积方法束内/束问流动边缘效应
分类号: TQ320.66
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 403次
引　用: 3次
阅　读: 论文下载

内容摘要

针对国家中长期科技发展规划与“十一五”规划中确立的大飞机研制项目，开展复合材料先进制备技术研究，实现高性能、低缺陷、低成本的目标，具有重大的现实意义。用于制备先进复合材料的树脂传递模塑(Resin Transfer Molding，RTM)工艺以成本低、成型速度快、生产效率高、对环境污染小等特点，在航空、航天、交通、建筑等领域得到越来越广泛的应用，已成为国内外在先进复合材料制备领域增长最快速、前景最广阔的技术发展方向之一。限制RTM工艺应用的主要障碍之一是制品中存在缺胶、微孔和浸润不良等缺陷。因此，深入研究树脂在纤维束内与束间的流动行为以及边缘效应对充填过程的影响，有助于揭示纤维浸润以及材料缺陷形成的影响因素，实现RTM工艺的优化设计，从而提高复合材料性能、降低生产成本。本文把树脂在整个模腔内的流动分为树脂在纤维预制体内的流动以及当纤维预制体与模具壁之间存在缝隙时的边缘流动。树脂在纤维预制体内的流动又包括树脂在纤维束之间空隙中的流动和在纤维束内部纤维单丝之间空隙中的流动。通过对这些局部流动的数值模拟，定量分析纤维浸润以及材料缺陷形成的影响因素。根据在纤维束间区域宏观孔隙与纤维束内区域细观孔隙的形成机理的理论分析，考虑表面张力引起的附加压力对流动的影响，建立了树脂在纤维束间流动的数学物理模型，确定了束间流动过程模拟的技术路线，模拟了树脂在纤维束间的非稳态流动过程，揭示了温度、纤维束间距和充填速度等工艺参数对流体压力和前沿的影响规律。但对孔隙形成机理的认识不能简单建立在一个或几个模型的基础上，或仅通过对束间流动过程的数值模拟而获得孔隙形成的所有影响因素，有必要深入研究纤维束内与束间树脂流场的相互作用问题。为得到树脂在纤维预制体内流动的数学描述，本文采用局部体积平均化方法，推导了体积平均化的连续性方程以及考虑惯性项和粘性项的动量方程。该动量方程比目前RTM非稳态充模过程研究中广泛采用的Darcy定律应用范围更广。把树脂在纤维预制体内的流动作为两相流(树脂相与空气相)处理，采用有限体积方法(Finite Volume Method，FVM)离散上述动量方程，并与Volume of Fluid／Piecewise Linear Interface Construction(VOF／PLIC)界面追踪方法相结合，发展了求解树脂在纤维预制体内非稳态流动问题的数值模拟方法。基于上述算法编写了RTM工艺的充模过程数值模拟程序，进而数值模拟了三个算例，获得了恒压与恒流率注射条件下在充填过程任意时刻的流动前沿位置和形状以及充填时间与流动前沿的关系曲线等，对比了数值模拟结果与解析解或实验结果，吻合良好，从而验证了本文提出的数值模拟方法与编写的模拟程序的有效性与可靠性。为下一步开展纤维束内与束间的树脂流场相互作用以及边缘效应的数值分析提供了程序平台。树脂在纤维束内区域与束间区域、树脂在纤维预制体区域与边缘通道区域的流动问题实质上为多孔介质／纯流体耦合区域内的流动问题。为避免显式表达多孔介质与纯流体区域的界面条件，本文采用单区域方法，将整个区域考虑为连续的区域，由此可以采用一组通用的控制方程来描述树脂流体在多孔介质／纯流体耦合区域内的流动行为。为深入研究纤维预制体内孔隙形成和纤维浸润的影响因素，本文开展了纤维束内与束间的树脂流场相互作用的数值分析。将树脂在纤维束内的流动视为多孔介质流，采用Brinkman方程描述；纤维束间视为无纤维区域，采用Stokes方程描述树脂在纤维束间的流动，由此建立了树脂在纤维束内与束间流动的数学物理模型。发展了在柱坐标系下分析多孔介质／纯流体耦合区域内流动问题的数值模拟方法，并以RTM工艺的充模过程模拟程序为基础编写了束内与束间流场相互作用的模拟程序。研究了恒流速与恒压两种入口条件下的束内、束间流动行为，揭示了树脂粘度、纤维束间距和束内渗透率等参数对流动的影响规律，分析了在纤维束内细观孔隙形成的潜在因素。结果表明，树脂在纤维束间的流动超前于在纤维束内的流动，增加了在纤维束内形成细观孔隙的可能性，并且仅靠动压力的作用不可能完全浸润纤维束。本文还开展了边缘效应的数值分析，发展了在直角坐标系下分析多孔介质／纯流体耦合区域内流动问题的数值模拟方法，先后建立了两个数学模型。在第一个模型中，树脂在边缘通道区域采用标准的二维Navier-Stokes方程描述，而在纤维预制体区域采用考虑惯性项和粘性项的动量方程表达。模拟结果表明：当模腔厚度与边缘通道宽度尺寸相近时，在边缘通道区域不能忽略模腔厚度对树脂流动的影响。为此在第二个模型中，基于对矩形截面通道完全发展流动的控制方程和等效渗透率的表达式的数学分析，并与三维Navier-Stokes方程比较，得到了描述边缘通道区域流动的改进方程。进而开展了恒流速与恒压两种入口条件下的边缘效应数值分析，研究了边缘通道宽度、模腔厚度和树脂粘度等参数对流动的影响规律。结果表明，一方面边缘效应可能导致不期望的树脂流场发展而形成干斑缺陷；另一方面可以利用边缘效应提高工艺效率：恒流率注射时可以减小注射压力，恒压注射时可以减少充模时间。

全文目录

摘要  13-16
ABSTRACT  16-19
符号说明  19-20
第一章绪论  20-39
  1.1 课题的研究背景与意义  20-21
  1.2 RTM工艺简介  21-25
    1.2.1 工艺过程  21-23
    1.2.2 工艺特点与应用  23-24
    1.2.3 影响RTM制品质量的因素  24-25
  1.3 相关研究进展  25-35
    1.3.1 RTM工艺的充模过程数值模拟  25-28
    1.3.2 RTM细观流动的研究现状  28-31
    1.3.3 边缘效应研究现状  31-33
    1.3.4 运动界面追踪技术  33-35
  1.4 本文主要研究内容  35-39
第二章引入表面张力的纤维束间树脂流动过程的细观模拟  39-57
  2.1 引言  39
  2.2 充模过程流动行为的理论分析  39-42
    2.2.1 树脂沿纤维轴向流动时孔隙的形成  40-41
    2.2.2 横向流动时孔隙的形成  41-42
  2.3 束间流场数学模型的建立  42-44
  2.4 流动控制方程的离散  44-46
    2.4.1 网格划分  44
    2.4.2 连续性方程的离散  44
    2.4.3 动量方程的离散  44-46
  2.5 边界条件  46-47
  2.6 离散方程求解  47-51
    2.6.1 速度-压力修正迭代  47-48
    2.6.2 流体体积函数C的求解  48-49
    2.6.3 自由表面重构  49-50
    2.6.4 数值稳定性条件  50
    2.6.5 数值求解步骤  50-51
  2.7 束间树脂流动过程的数值分析  51-55
    2.7.1 温度对流动的影响  51-53
    2.7.2 纤维束间距对流动的影响  53-54
    2.7.3 充填速度对流动的影响  54-55
  2.8 本章小结  55-57
第三章局部体积平均化理论和方法  57-66
  3.1 引言  57-58
  3.2 平均化理论  58-59
  3.3 平均化法则  59-60
    3.3.1 梯度的局部体积平均  59-60
    3.3.2 乘积的平均  60
    3.3.3 流体体积分数的梯度  60
  3.4 控制方程的体积平均化  60-65
    3.4.1 连续性方程的体积平均化  60-61
    3.4.2 动量方程的体积平均化  61-65
  3.5 本章小结  65-66
第四章 RTM工艺的充模过程数值解法建立与程序验证  66-94
  4.1 引言  66-67
  4.2 控制方程  67-68
  4.3 控制方程求解  68-80
    4.3.1 流场数值计算的主要方法  68-69
    4.3.2 源项的处理  69
    4.3.3 交错网格  69-70
    4.3.4 动量方程离散  70-73
    4.3.5 边界条件  73-76
    4.3.6 SIMPLE算法  76-77
    4.3.7 代数方程组的求解  77-80
  4.4 前沿界面追踪  80-85
    4.4.1 运动界面重构  80-82
    4.4.2 界面随时间推进  82-85
    4.4.3 时间步长的选择依据  85
  4.5 算法流程与程序开发  85-87
  4.6 算例验证  87-93
    4.6.1 一维算例及其与解析解的比较  87-89
    4.6.2 二维算例及其与解析解的比较  89-91
    4.6.3 二维算例及其与实验结果的比较  91-93
  4.7 本章小结  93-94
第五章纤维预制体内细观流动行为数值模拟  94-110
  5.1 引言  94-95
  5.2 束内与束间流场数学模型的建立  95-97
    5.2.1 物理模型与基本假设  95
    5.2.2 纤维束内流场  95-96
    5.2.3 纤维束间流场  96-97
    5.2.4 界面与边界条件  97
  5.3 控制方程求解  97-100
    5.3.1 动量方程中的源项  97-98
    5.3.2 动量方程离散  98-100
    5.3.3 数值计算流程  100
  5.4 算例分析与讨论  100-108
    5.4.1 恒流速入口条件下的数值模拟  100-106
    5.4.2 恒压入口条件下的数值模拟  106-108
  5.5 本章小结  108-110
第六章边缘效应数值分析  110-129
  6.1 引言  110-112
  6.2 基于二维Navier-Stokes方程的数值模拟  112-115
    6.2.1 数学模型的建立  112-113
    6.2.2 控制方程求解  113-114
    6.2.3 模拟结果及与实验结果的对比  114-115
  6.3 基于改进的控制方程的数值模拟  115-116
    6.3.1 控制方程的改进  115-116
    6.3.2 改进方程后的模拟结果  116
  6.4 算例分析与讨论  116-128
    6.4.1 恒流速入口条件下的边缘效应数值分析  116-120
    6.4.2 恒压入口条件下的边缘效应数值分析  120-128
  6.5 本章小结  128-129
第七章结论与展望  129-133
  7.1 结论  129-131
  7.2 展望  131-133
参考文献  133-144
致谢  144-145
攻读博士学位期间完成的论文  145-146
攻读博士学位期间参与的科研项目  146-147
附录  147-170
学位论文评阅及答辩情况表  170

树脂传递模塑工艺过程的数值模拟

内容摘要

全文目录

相似论文