基于真空導入工藝的大尺度復合材料異型構件成型技術研究

丁萍 張作朝 鄭宏雪 柴朋軍

摘 要 研究了大尺寸復合材料水滴形截面異型構件的成型工藝。在達西定律的基礎上采用實驗法測得了玻璃纖維織物滲透率，建立了樹脂浸潤過程的仿真模型。采用仿真軟件對典型構件一體成型充模過程進行仿真分析，分別對中心點注射、中心線注射、單邊注射和多線程接力注射方案進行探討，仿真結果表明，多線程接力注射方案可有效縮短充模時間，滿足樹脂適用期內完成充模的要求，并達到100%充模率。采用多線程接力注射方案制備了典型構件樣機，實際充模時間與理論計算相差約10%，對生產實踐具有指導性意義。

關鍵詞 復合材料；大尺度；異型構件；SCRIMP；仿真模擬

Study on the Molding Technology of Jumbo Size GFRP Skin

DING Ping， ZHANG Zuochao， ZHENG Hongxue， CHAI Pengjun

（Beijing Composite Materials Co.，Ltd.， Beijing 102101）

ABSTRACT This paper studied the manufacture of the FRP rudder skin. The permeability test and resin gel test of glass fiber fabric were carried out; the filling process of composite rudder surface was simulated by PAM-RTM software. The central point injection， central line injection， single side injection and multi-thread relay injection were discussed， the simulation results show that， the multi-thread relay injection scheme can satisfy the requirement of filling the mold in the resin using time， and achieve 100% filling rate. The prototype of composite rudder was fabricated by multi-thread relay injection. The actual filling time was about 10% different from the theoretical calculation.

KEYWORDS composite materials; rudder; vacuum assisted resin infusion; mold filling simulation

通訊作者：丁萍，研究生，工程師。研究方向為復合材料設計與制造。E-mail： hit_dingping2011@163.com

1 引言

復合材料具有高比強度、比剛度和優異的可設計性等優點，廣泛應用于航空航天、船舶、風電葉片和汽車等領域。在復合材料生產過程中，模具制造和產品加工占成本比例較高，SCRIMP具有低成本、環境友好和適用于大型構件等優點［1-4］。在SCRIMP工藝中，保證基體樹脂充分浸漬增強材料是確保產品質量的關鍵，而導流通道的布置是保證樹脂對纖維增強材料浸漬進度和質量的關鍵因素。SCRIMP成型的制件，避免出現白斑、分層、薄厚不均等質量問題的必要條件是樹脂對纖維預制體充分浸潤。實際應用中制件逐漸向更復雜結構和更大尺寸發展，導致流道設計難度大，樹脂流動不易控制，從而樹脂對纖維的浸潤性差［5-8］。

樹脂注膠流道設計是SCRIMP工藝的關鍵環節。合理的注膠流道設計不僅可以縮短樹脂在預制體內的滲透時間， 而且還可以避免滲透過程中干斑、富樹脂等缺陷的形成。傳統樹脂流道設計是以工程經驗為主， 輔以試錯法， 而實際制造零件時，樹脂在復雜結構預制體中的流動狀態和流動軌跡的復雜程度僅靠工程試驗很難準確掌握，而且還需要消耗大量的人力和物力。樹脂的操作時間是流道設計需要考慮的重要參數。流道設計前，應對樹脂體系進行凝膠試驗，確定凝膠時間，避免進行無效的流道設計。滲透率是進行面層充模仿真十分關鍵的參數，一般通過滲透率測試裝置通過試驗獲得［9-10］。

水滴形截面的大型構件的成型，在保證膠液在織物表面快速流動的同時，也要保證膠液在織物層間的充分滲透。本文在達西定律的基礎上采用實驗法測得了SCRIMP工藝玻璃纖維滲透率，通過模擬分析軟件建立水滴形截面典型構件的有限元模型，對不同流道設計方案進行分析對比［11-13］。

2 參數測定試驗

2.1 試驗材料

試驗采用乙烯基樹脂（BBD-1），23 ℃時粘度為180～220 mPa·s，過氧化甲乙酮類固化劑，環烷酸鈷類促進劑；增強織物為S玻璃纖維布，斜紋織物，單位面積質量為240 g/m2。

2.2 測試方法

（1）凝膠時間測定

在室溫環境下，配制乙烯基樹脂膠液，樹脂與固化劑的配比為100∶1.5，攪拌均勻后靜置。

（2）滲透率參數測定

本試驗注膠口設置在長度方向一側，通過觀察灌注試件上、下表面，記錄樹脂在恒定壓力下對織物的浸潤過程，從樹脂前沿的實時位置得出滲透率的比值。

對纖維經線方向（K1）、緯線方向（K2）和厚度方向（K3）滲透率進行測試。測試件成型尺寸為0.3 m×1 m，以直尺置于測試件表面，每間隔1～5 min記錄一次膠液前鋒位置，形成（xi，ti）（i=1，2，3，4，5…）一系列點。試件單側放置玻璃面板，以觀察背部膠液流動情況［7-10］。

2.3 試驗結果分析

（1）凝膠時間

經觀測得到室溫環境下，乙烯基樹脂凝膠時間約為40 min。

（2）滲透率

VARI工藝可采用Darcy定律來計算牛頓流體流經多孔介質的滲透率。流動方程如公式（1）和公式（2）所示。

V=KηP=-KηdPdx（1）

dxx=KPηdt（2）

在膠液注射過程中，真空負壓為恒定值，即膠液前沿與注射口之間的壓力差數值恒定。在注射初始時，t=0，x=0，積分后如公式（3）所示。

x2=2K△Pηt（3）

其中x為膠液流動距離，K為滲透率參數，P為注膠口到膠液流動前鋒的壓力差，η為膠液黏度，t為膠液流動時間。

通過工藝試驗可知，試驗板上表面與下表面膠液流動前鋒相差約100 mm。經試驗測定纖維方向和厚度方向的線性擬合如圖1和圖2所示，纖維方向擬合公式為y=0.0002x-0.0252，厚度方向擬合公式為y=3e-0.5x-0.0042。由公式（3）計算得到滲透率K1= K2=2×10-11，K3=3×10-12。

3 典型構件充模過程模擬分析

本文以一種具有水滴形截面的復合材料結構為典型構件，對其灌注過程進行仿真分析。該結構內部為剛度相對較大的骨架支撐結構，間隔填充輕質耐壓材料的型芯，外部為纖維增強復合材料面層。不同于一般的復合材料制品，典型構件在型芯表面形成一個封閉殼體，不得通過后期的加工進行連接或拼接，要求產品一體成型，表面連續。采用SCRIMP工藝制造構件表面可減少模具成本，采用輕質的真空輔助材料制作產品更具可操作性。采用SCRIMP工藝成型構件面層時，纖維的浸潤受到增強織物鋪層、流道排布、成型溫度的影響，不合理的流道、注膠口（流道）和出膠口設計會使制品表面形成白斑、樹脂富集等缺陷，影響結構整體剛度和強度，以及局部界面粘接強度。通過工藝仿真進行樹脂充模過程模擬，對不同設計方案進行對比研究，得到最優方案，指導產品成型工藝的實施。典型構件結構示意如圖3所示。

3.1 分析方案

與已知的大型薄殼結構（如風電葉片）不同，風電葉片是柳葉形敞口結構，成型時上下兩部分分別成型后進行粘接，而典型構件是連續的封閉結構，如圖3所示，不允許后期加工和粘接，目前沒有文獻報道過類似結構的成型方法。進行流道設計時，考慮面層為對稱結構，注膠口為上下面層對稱設置，對三種方案進行分析［11-13］，如圖4所示。方案1：上下面層中心位置設置注射口，舵尖角位置設置出膠口；方案2：隨緣邊設置線注膠流道（綠色點線），導緣位置設置線出膠流道（藍色點線）；方案3：沿軸方向中心線位置環形設置線注膠流道（藍色點線），導緣和隨緣位置設置線出膠流道（綠色點線）。

3.2 有限元模型及參數設置

采用三維建模軟件建立了有限元模型，由于面層為薄殼結構，網格劃分采用殼單元，共3445個單元，如圖5所示。蒙皮成型過程中考慮重力對膠液流動的影響，重力加速度的設置應與實際充模過程一致，在軟件中設置為X+方向。還需要對樹脂流動區域的材料參數和工藝參數進行設置，如表1所示。

3.3 計算結果與分析

上下面層中心點注射樹脂流動過程如圖6所示，樹脂在真空壓力作用下不斷以注射點為中心向四周推進，擴散邊界呈橢圓形，在前后端匯合后逐漸填滿面層，在尖端發生包圍交匯，用時約360 min。從導緣邊進行注射的充模過程如圖7所示，膠液流動前鋒在隨緣邊交匯，用時約240 min。充模時間如表2所示。

典型構件為封閉式結構，上下面層注膠流道應保持同步設置，可保證膠液前鋒流動的一致性，方案3中注膠管沿舵軸線方向呈環形設置。面層中心線注射如圖8所示，以中心注膠流道為起始邊逐步向兩側流動，在導緣和隨緣端交匯，用時約60 min。

產品灌注過程不應超過樹脂體系適用期，以避免灌注過程中樹脂流動區域內出現凝膠，進而產生浸漬不透的現象，導致產品表面白斑、缺膠等問題。樹脂凝膠試驗表明，充模過程應控制在50 min內。由表2可知，方案3最接近產品充模過程時間控制要求。因此，對方案3進行進一步的優化研究。

在方案3的基礎上，為進一步縮短注射時間，設計了接力注射方案，方案3-1：沿舵軸方向中心線位置環形設置3條線注膠流道（黃色和綠色點線位置），導緣和隨緣位置設置線出膠流道（藍色點線位置）；方案3-2：沿舵軸方向中心線位置環形設置5條線注膠流道（黃色、藍色和綠色點線位置），導緣和隨緣位置設置線出膠流道（紅色點線位置）。即在樹脂流動區域內設置沿舵軸方向設置多條環形注膠流道，充模時依次順序開啟/關閉注射點進行膠液吸注，以達到膠液快速流動浸透織物的目的。流道布置具體方案如圖9所示。

接力注射對注膠口的開啟時機要求較為嚴格，過早開啟下一級注膠口會造成局部氣體包絡，形成缺陷。方案3-1中流道間距設置為700 mm，由中心流道向兩側排列的流道分別為2級流道、3級流道。在2級流道外側設置感應器，觸發條件為該處填充率達到100%時發出開啟/關閉信號。使用感應器1（位于流道2外側）進行模擬，注膠口開啟和關閉過程如圖10所示，流道附近有明顯的樹脂流動干涉區域，充模結束后，該處面層易形成干斑，如圖11所示。為避免出現干涉現象，對注膠口開放時機進行優化。根據鋪層厚度及工藝試驗結果，以膠液流動前鋒位置確認注膠口的開啟時機。使用感應器2（位于流道2外側）進行充模模擬，產品充模過程如圖12所示，膠液流動前鋒基本保持一致，在注膠口順序開啟的時間節點，無紊流現象，灌注時間約2320 s。

圖10 充模過程流程圖

當膠液流動一定距離后，其浸透速度會因阻力增加明顯減緩，為在浸透速率減緩前及時開啟下一級注膠口，在方案3-2中將流道間距縮短至400 mm，相應的由中心流道向兩側排列的流道分別為2級流道、3級流道、4級流道。采用方案3-1中感應器2進行充模模擬，結果表明進一步縮短了充模時間，同時不影響產品的浸潤效果，如表3所示。

通過對不同流道設置方案進行仿真分析發現，環形流道的設置可保證樹脂膠液在織物表面及內部的流動路徑可控，前鋒基本一致，有利于對不同方案進行參數調整。多線程連續注射方案可有效的減少充模時間，方案3-2的充模時間較方案3減少了50%以上，保證樹脂適用期內完成充模。

5 典型構件樣機SCRIMP工藝驗證

采用本文的流道設計，進行3 m×4 m典型構件樣機的制作，產品成型過程如圖14所示，樣機成型充模時間約為28 min，與仿真結果相差約10 %。對樣機進行外水壓、疲勞、抗扭等試驗考核，產品無破壞和滲漏，成型后產品表面質量如圖15所示。

6 結語

（1）采用有限元方法對大型水滴形截面異型典型構件進行充模過程模擬，可預測膠液流動區域的充模情況，分析流道設計的可行性，對該類型構件成型具有指導意義。

（2）模擬結果表明采用多線程接力注射方案可有效縮短產品充模時間，滿足工程生產需求；根據工藝試驗結果設計注膠口開啟時機，過早開啟易導致產品缺陷。

（3）采用多線程接力注射方案制作了1：1典型構件樣機，理論計算充模時間與實際相差約10%，方案可行。

（4）本文研究成果解決了工程實際問題，形成的生產技術已成功應用于產品生產，對理論和工程具有指導意義。

參 考 文 獻

［1］孫巍，毛亮，羅忠.典型構件設計初探，船舶與質量，2010（3）.

［2］Katebi， M. R. A two layer controller for integrated fin and rudder roll stabilisation. In Proceedings of IFAC Conference on Control applications in marine systems， Ancona， Italy， 2004（7）：101-106.

［3］R Suttonl， G N Roherts.Martronics： a philosophy for marine systems design. Part M： J. Engineering for the Maritime Environment. Vol. 223.

［4］朱錫，李海濤，查友其，等. 玻璃鋼導流罩新型密封結構設計及其模型試驗研究［J］. 海軍工程大學學報，2004. 16 （4）：18-21.

［5］魏俊偉，張用兵，郭萬濤.真空輔助成型（VARI）工藝研究進展［J］.材料開發與應用，2010，6：99-104.

［6］趙晨輝，張廣成，張悅周.真空輔助樹脂注射成型（VARI）研究進展［J］.玻璃鋼/復合材料，2009，204（1）：80-84.

［7］肖飛，袁崇新，從晶潔.復合材料加筋壁板結構件VARI液體成型工藝計算模擬［J］.航空材料學報，2016，36（4）：47-54.

［8］陳星宇，王遵，卜繼玲，等.碳纖維葉片大梁真空灌注工藝仿真和驗證［J］.復合材料科學與工程，2020，（7）：110-113.

［9］陽小林. 纖維預制體鋪層法向滲透率測定方法及影響因素的研究［D］.武漢： 武漢理工大學，2008.

［10］李小兵，孫占紅，曹正華.真空輔助樹脂灌注配套基體樹脂的制備及性能［J］.熱固性樹脂，2006，2（1）：4-7.

［11］郭志昂，賀辛亥，張婷，等.玻纖/環氧樹脂復合材料VARTM成型工藝仿真及實驗［J］.紡織高?；A科學學報，2020，33（1）：26-31.

［12］肖飛，姜茂川，劉強，等.復合材料副翼典型結構件的VARI工藝模擬及試驗驗證［J］.航空材料學報，2015，35（3）：1-11.

［13］縱海，蘇躍增，俞偉，等.典型曲面構件的VARI工藝模擬分析及實驗驗證［J］.高分子材料科學與工程，2010，26（11）：156-159.