三维非等温rm工艺三维仿真研究

三维非等温rm工艺三维仿真研究

固化反应动力学方程树脂挤出（rtm）是一种经济有效、适合发展中国家的加工技术。由于模具，树脂和纤维之间的热传导，以及树脂固化反应释放的热量，树脂充模阶段的流动是非等温的。模具填充过程是RTM中非常重要的阶段。Laurenzi等以上文献都对RTM工艺不同阶段分别进行了深入研究，但是充模阶段树脂发生固化反应必然会对固化阶段产生一定影响。本文基于FLUENT软件二次开发了三维非等温树脂填充固化共仿真。引入了能量方程和固化反应动力学方程。在树脂非等温充模过程中会产生温度和固化度梯度。通过数值模拟发现在充模过程中生成的树脂流动方向梯度严重影响固化阶段温度及固化度场平衡。与已知数据对比，结果显示所开发程序的准确性。1数学模型1.1增强材料的液体流动与其他复合材料制备工艺相比，RTM工艺的特点是树脂需要在复杂的预成型体中流较长距离。通过纤维增强材料的液体流动可被视为通过多孔介质的流动。在RTM中，可以通过达西定律表达通过该介质的流量，该定律是对低雷诺数(雷诺系数<1)的流动状态的合理预测，表达式为不可压缩树脂流过多孔介质的连续性方程的体积平均形式可以表示为将式(2)带入式(1)得出椭圆平均孔隙压力的偏微分方程:1.2．纤维介质流动问题固化度场受复合制件内部温度分布的影响。它们是产生残余应力和固化变形的直接原因。树脂通过纤维介质的流动是非等温过程，在模具、纤维和树脂之间发生热传递。与反应热相关的温度场问题实质上是非线性内部热源的传热问题。内部热源是通过树脂的固化反应释放的热量。树脂浸渍纤维介质中的传热能量方程为固化阶段树脂的传热能方程为:该方程式中的参数有温度T，密度ρ，比热容c1.3固化动力学方程树脂的固化取决于温度，因为反应动力学随温度而变化。而且，反应是放热的，因此是热平衡和固化动力学之间的耦合。在本文中，所使用的树脂固化反应方程为式中，k树脂的粘度取决于温度和固化程度。在这项研究中使用的粘度方程是被广泛使用的模型，表达式为式中，α2基于anasasflunt的数值模拟本文使用ANSYSFLUENT软件进行树脂流动和固化模拟。ANSYSFLUENT求解器基于有限体积方法，该方法将计算域离散化为有限数量的控制体或单元。质量、动量和能量方程的通过标准方程式为:以上各项是不稳定项、对流项、扩散项和源项。ANSYSFLUENT中的用户定义功能(UDF)模块为用户提供了辅助开发界面。应用固化放热源项来实现RTM填充固化过程的模拟。具体的仿真过程如图2所示。首先，设置所有必要的参数，并假定充模入口处节点的控制体积树脂含量为1。通过施加适当的边界条件来计算压力场。这将在每个时间步结束时给出填充区域的压力场。然后根据达西定律计算出填充区域的速度场。基于计算的速度场，通过隐式时间积分方法求解能量和质量方程。根据新的温度和固化度计算粘度值，并根据新的粘度值重复上述过程，直到满足粘度收敛标准为止。最后，重复所有步骤，直到模具完全充满树脂为止。模具填充后，固化阶段开始。此阶段的初始条件是模具填充结束时获得的温度和转化率分布，不计算速度压力等流动方程，只计算能量方程及固化动力学方程。3充模过程模拟在本节中，使用三维H型梁示例注射口位于梁的中间，梁的端部是树脂出口(图3)。数值模拟预测的填充时间为198s。图4显示了填充后制件内部的固化程度和温度分布。在填充阶段，树脂流过纤维时与纤维和模具之间发生热传递。树脂的温度和固化度随树脂的流动而增加。由于温度升高，树脂固化反应的速率加快。这些会加大流动方向上温度梯度和固化度梯度。同时，复合材料制件的导热率低。这会导致较高的局部温度并加剧树脂的固化反应。由于上述原因，制件出口附近的树脂固化度和温度高于制件入口处。仿真结果与Tan等模具填充阶段结束时的温度和固化场对固化阶段有很大影响。在填充阶段之后，使用传统的两段升温曲线来模拟温度系统。在传统的温度制度下，进行仿真获得每个监测点的温度和固化程度的曲线(图5)。在固化的初始阶段，树脂在注入口附近具有较低的固化度和较低的固化速率，这受填充过程的影响。充模引起的横向温度和固化程度的差异会影响固化过程中温度和固化程度的均匀性。同时，由于复合材料的传热系数低，固化阶段中心层和表面的温度存在差异。这些也会影响部件厚度方向上固化度的均匀性。这些问题会由于热应变和固化收缩率的差异而导致固化阶段的内部应力，从而影响制件的质量，甚至损坏制件。4温度和固化度梯度本文基于ANSYSFLUENT软件实现了三维非等温树脂流动和固化过程的二次开发编程。仿真表明，充模过程会产生严重的温度和固化度梯度。将结果与已知数据进行比较，以验证模拟