Page 36 - 《橡塑技术与装备》2017年10期（5月塑料）
P. 36
橡塑技术与装备（塑料） CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (Plastics)
近十几年，国内外对于 RTM 充模过程中的非饱 模过程中产生的充模压力，导致纤维织物的几何截面
和流动的研究热度增大。国外有 Pavel Simacek 和 形状发生变形。本文建立微观的几何模型是由单个纤
Advani [5] 采用有限元法与一维控制汇源相相结合的方 维束组成。
法，对树脂在模具中流动前沿进行跟踪，有效仿真出 充模过程的宏观模型如图 2 所示，在流动前沿后
饱和流动和非饱和流动区。但是缺陷在于仍然把几何 方包括饱和流动和非饱和流动两个区域。造成非饱和
模型限制在单尺度仿真。国内有研究者对双尺度模型 流动的原因在于纤维束是由成百上千的纤维加工而成，
进行研究，戴福洪等 [6] 和叶鑫 [7] 都对基于双尺度模型 相邻的纤维之间有微观孔隙，而在相邻纤维束之间则
上的充模仿真进行一定的研究，前者得到了较好的局 是尺寸较大的宏观孔隙。两种孔隙尺寸相差几个数量
部饱和度分布情况，并经过实验验证 ；后者则研究了 级，导致树脂在两种孔隙之间受到的阻力大小不同，
树脂在双尺度多孔介质中非饱和流动情况。 流动速度也就不同。树脂在两种孔隙中流动的速度差，
综上所述，国内外研究者对于 RTM 充模过程仿 表现出来则是流动前沿后方存在着较大的非饱和流动
真存在以下缺陷 ： 区。如果忽略该非饱和区域，根据流动前沿停止充模，
（1）多数研究仍然是对充模过程中的饱和流动进 就容易导致在非饱和流动区域产生大量的气泡，影响
行仿真，认为流动前沿后方被树脂瞬间浸润，从而忽 成品的强度，因此在填充时，要求做到完全饱和。为
略非饱和流动带来的影响，仿真结果与实验结果误差 了实现完全饱和，必须在流动前沿达到模具边界后，
较大 ； 继续持续地注入树脂，直到束间和束内完全被树脂浸
（2）现阶段对非饱和流动的研究，特别是国内对 润。
非饱和流动的研究，都是在简化后的几何模型上进行
数值模拟，得到的仿真精度较低 ；
（3）国内外对于非饱和流动的研究方法，完全忽
略了树脂被吸入纤维束内部的微观流动，将树脂在预
成型体内的流动看做单尺度流动，这种简化将会造成
充模过程仿真结果出现较大误差。
针对以上的缺陷，本文充分考虑纤维束内部孔隙
和纤维束间孔隙尺寸相差几个数量级带来的非饱和流
动对充模过程的影响。本文利用 ACIS 建立了具有较高
精度的两种不同尺度的模型 ：孔隙尺寸为微米级的微 图 2 宏观模型填充分布示意图
观几何模型和孔隙为毫米级的宏观几何模型，分别在两
1.2 建立充模过程双尺度数学模型
个模型进行数值模拟。仿真基于 VOF 方法并结合主从
单元法，采用汇函数和饱和度的方法建立相应的数学模 本文建立的充模过程数学模型是考虑饱和流动和
非饱和流动的数学模型。采用引入汇函数和饱和度的
型。利用 FLUENT 软件对建立的数学模型进行数值求
方法，建立非饱和流动数学模型。
解。最后通过仿真例子验证该仿真算法的可用性。
单尺度数学模型常用达西定律如方程式和连续性
方程相结合的方法建立，如式（1）所示 ：
1 建立非饱和流动模型
1.1 非饱和流动现象分析 （1）
确立非饱和流动过程为本文的主要研究对象，现 式中 ： K 为多孔介质的渗透率张量，为多孔介质
先讨论非饱和流动产生的原因，并从原因出发，讨论 的一种固有材料属性 ； μ 为树脂黏度，Pa . s ； P 为压
Δ
建立非饱和流动模型。 力梯度，Pa/m。
RTM 工艺在充模之前，需要做的准备工作之一就 虽然达西定律所建立的单尺度充模仿真数学模型
是铺覆预成型体，预成型体是由纤维织物是按照一定 得到了一定成功，但随着研究深入发现，使用该模型
顺序经过缝合、编织或者是针织得到的纤维材料，虽 仿真的结果与部分纤维织物中的充模实验结果相差较
然具有周期性，但是由于预成型体内多层堆叠以及充 大。分析是由于纤维织物的双尺度造成的非饱和流动
·16· 第 43 卷 第 10 期
