本发明专利技术提供一种基于中面模型的非等温树脂传递模塑的流动前沿预测方法，包括以下步骤：（1）由型腔中面网格构造节点三维控制体积；（2）设置成型工艺参数；（3）设置材料参数；（4）计算树脂流动压力和速度；（5）计算树脂固化反应；（6）计算树脂和纤维增强体的温度；（7）更新流动前沿和材料物性，确定时间步长；（8）确定型腔是否充满，如果模具型腔已经填充满，则进入步骤（9），否则进入步骤（5）；（9）预测干斑分布。本发明专利技术基于中面网格构造了三维控制体积并运用了控制体积有限元法，计算中考虑了厚度方向上粘度、速度、温度、固化度等的变化及其对压力场计算的影响，能更准确地预测树脂传递模塑流动前沿及各种物理量场的分布。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机数值模拟方法，特别涉及一种，用于平面方向尺寸远大于厚度方向尺寸的复合材料制品的非等温树脂传递模塑成型。
技术介绍
树脂传递模塑(Resin Transfer Molding, RTM)是ー种将树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的エ艺，也是生产高质量纤维增强复合材料制品的重要方法之一，与预浸料エ艺和热压模塑エ艺相比，RTMエ艺成型设备投资少、生产绿色环保，与传统的手糊エ艺比，RTM制品质量稳定、释放有害挥发物质少，且RTM制品力学性能具可设计性、充填压カ低、成本低，适合大型复杂零件的生产和机械化生产，广泛应用于航空航天、船舶、汽 车、电カ电子等领域。树脂传递模塑主要包括铺层、下料、浸溃、成型、固化等エ序。其中树脂浸溃过程是至关重要的ー环，浸溃过程直接反应在充填过程流动前沿上。注射压力、注射速度、注射时间、温度、固化反应、浇ロ位置、浇ロ尺寸、浇ロ数量以及产品形状和厚度等诸多因素对树脂流动前沿都有重要影响，流动前沿发展不均匀或流动前沿汇合均会导致复合材料制品的质量问题，如注射压カ过大导致冲刷纤维增强体而导致纤维增强体的变形，流动过快造成浸溃不良，流动前沿汇合处会形成干斑，注射时间过长会使树脂在流动过程中就发生大量固化反应且生产效率低下，等等。这些问题的解决如果依赖传统的经验法、试错法，即不断地反复试模后再评定产品设计和エ艺參数，会使得树脂传递模塑エ艺的成本高、开发周期长，且产品的废品率高、生产不稳定，因此，会浪费大量的人力物力。而基于数值模拟的方法预测树脂传递模塑的流动前沿，则为RTM产品设计和エ艺设计提供了一种经济、实用和科学的手段。有学者采用数值模拟的方法研究树脂传递模塑的流动前沿，如北京航空航天大学开发的RTM树脂模拟软件，填充过程中不考虑温度和固化反应对流动前沿的影响。此外，也有考虑树脂充填型腔过程中温度和固化度对流动前沿影响的，见“施飞，董湘怀.非等温RTMエ艺的数值模拟 复合材料学报，26 (4) : 146-150, 2009”和“Chen Ren-liang，LiMmg-cheng. Study of flow and temperature in resin transier molding process bynumerical model. Transactions of Nanjing University of Aeronautics&AstronauticS.20 (2) : 165-171，2003”，但其在中面网格平面方向上采用的是格林(Green)公式或散度定理，在厚度方向上采用有限差分方法，且仅考虑温度在厚度方向上的变化，未考虑其它的物理量(如速度、粘度、固化度、流动速率等)在厚度方向上的变化。在压カ求解过程中，上述方法没有考虑厚度方向上的温度和固化度变化导致的粘度变化，进而导致厚度方向上不同位置的流动速度的变化，在温度求解过程中，上述方法在对流项的处理上采用精度较差的I阶迎风格式，厚度方向上流动速度不发生变化，没有耦合浸溃部分与未浸溃部分的传热以及忽略中面网格平面方向上的热传导，在固化反应求解中，上述方法没有考虑厚度方向上不同位置的树脂流动速度的变化、不同固化反应速率和固化度。随着全球市场竞争日趋激烈，要求尽可能科学、准确地设计RTM产品和设置エ艺參数，提高产品质量与生产效率，因此，需要ー种全面科学的预测流动前沿的方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种，以解决现有技术中的非等温RTMエ艺的数值模拟方法在厚度方向上采用有限差分方法，且仅考虑温度在厚度方向上的变化，未考虑其它的物理量(如速度、粘度、固化度等)在厚度方向上的变化，未考虑浸溃纤维增强体和未浸溃纤维增强体之间的耦合传热以及在中面网格平面方向上仅采用I阶迎风格式等导致的数值计算的精度不高的技术性问题。本专利技术目的通过以下技术方案实现一种，包括以下步骤·(I)由型腔中面网格构造节点三维控制体积；(2)设置成型エ艺參数；(3)设置材料參数；(4)计算树脂流动压カ和速度；(5)计算树脂固化反应；(6)计算树脂和纤维增强体的温度；(7)更新流动前沿和材料物性，确定时间步长；(8)确定型腔是否充满，如果模具型腔已经填充满，则进入步骤(9)，否则进入步骤(5)；(9)预测干斑分布。优选地，所述步骤(I)的由型腔中面网格构造节点三维控制体积步骤进ー步包括导入型腔中面网格，根据厚度方向所分的网格层数，连接厚度方向上相邻两层単元的对应节点，得到多层棱柱单元，连接棱柱单元的体心、面心、边中点即可构造节点三维控制体积。优选地，在所述步骤(4)的计算树脂流动压カ和速度步骤中，忽略制品厚度方向上的压カ变化和沿厚度方向的速度分量，厚度方向上的树脂平面流动速度是变化的，压カ和速度的计算步骤进ー步包括(I)根据粘度模型计算制品厚度方向上不同位置的粘度，树脂粘度为温度和固化度的函数 (T \ ( a ywv/tjlT,a) = Bexp ^ - ^^ぃりい一-ffj式中，n为动力学粘度，T为温度，a为固化度，B、Tb、CpC2, a gel为材料參数；(2)采用达西公式和质量守恒方程作为求解压カ和速度的控制方程Ui, J=O上述两式中，上式为达西公式，下式为质量守恒方程，下标“，”表示偏导，Ui为树脂流体的表观速度，i，j=i，2为中面网格平面方向上的局部笛卡儿坐标系坐标分量，入u、n分别为树脂的滲透率张量分量和动力学粘度，P为树脂流动压カ；考虑厚度方向上粘度的变化，基于中面模型的压カ方程为I f ——j-T P it IhdS = 0 jlIjo 4=) ' J式中，h为制品厚度，n (Z)表示粘度n是厚度方向坐标Z的函数，r为节点控制体积表面，Iii (i=l，2)为节点控制体积表面沿中面网格平面方向的単位外法矢量；(3)利用控制体积有限元法求解压カ方程；(4)由节点压力，根据达西公式计算厚度方向上不同位置的树脂流动速度。 优选地，在所述步骤(5)的计算树脂固化反应步骤中，利用控制体积有限元法求解固化反应方程，厚度上分为多层，每层树脂流动速度不一样，对流项采用质量加权迎风格式；由于厚度方向上不同位置的温度和树脂流动速度不一致，所以厚度方向上不同位置的固化度也不一致；(j>a t +,び, . 厂 f ) ( F I I/ '= \ A1 exp —-— + A, exp--- am \af -at ■ L V R'n I R'n 」++a f=a0T+b0式中，为固化反应速率，是温度和固化度的函数，下标“，”表示偏导，小为纤维增强材料孔隙率，t为时间，T为绝对温度，Ui表示中面网格平面方向的速度分量，i =1，2为中面网格平面方向上的局部笛卡儿坐标系坐标分量，a f表示指定温度下的等温最終转化度，41、4』1、も、111、11、&(|、13(|为材料常数，1 =8.3141/(11101 K)为普适气体常量。优选地，在所述步骤(6)的计算树脂和纤维增强体的温度步骤中，利用控制体积有限元法求解能量守恒方程，即温度方程，厚度上分为多层，每层树脂流动速度不一样，对流项采用质量加权迎风格式，计算中考虑未浸溃纤维增强体与已浸溃纤维预制体的耦合传热，同时考虑中面网格平面方向上的热传本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于中面模型的非等温树脂传递模塑的流动前沿预测方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）由型腔中面网格构造节点三维控制体积；（2）设置成型工艺参数；（3）设置材料参数；（4）计算树脂流动压力和速度；（5）计算树脂固化反应；（6）计算树脂和纤维增强体的温度；（7）更新流动前沿和材料物性，确定时间步长；（8）确定型腔是否充满，如果模具型腔已经填充满，则进入步骤（9），否则进入步骤（5）；（9）预测干斑分布。
【技术特征摘要】
1.一种基于中面模型的非等温树脂传递模塑的流动前沿预测方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)由型腔中面网格构造节点三维控制体积； (2)设置成型エ艺參数； (3)设置材料參数； (4)计算树脂流动压カ和速度； (5)计算树脂固化反应； (6)计算树脂和纤维增强体的温度； (7)更新流动前沿和材料物性，确定时间步长； (8)确定型腔是否充满，如果模具型腔已经填充满，则进入步骤(9)，否则进入步骤(5)； (9)预测干斑分布。2.如权利要求I所述的基于中面模型的非等温树脂传递模塑的流动前沿预测方法，其特征在于，所述步骤(I)的由型腔中面网格构造节点三维控制体积步骤进ー步包括导入型腔中面网格，根据厚度方向所分的网格层数，连接厚度方向上相邻两层単元的对应节点，得到多层棱柱单元，连接棱柱单元的体心、面心、边中点即可构造节点三维控制体积。3.如权利要求I所述的基于中面模型的非等温树脂传递模塑的流动前沿预测方法，其特征在于，在所述步骤(4)的计算树脂流动压カ和速度步骤中，忽略制品厚度方向上的压カ变化和沿厚度方向的速度分量，厚度方向上的树脂平面流动速度是变化的，压カ和速度的计算步骤进ー步包括 (1)根据粘度模型计算制品厚度方向上不同位置的粘度，树脂粘度为温度和固化度的函数4.如权利要求I所述的基于中面模型的非等温树脂传递模塑的流动前沿预测方法，其特征在于，在所述步骤(5)的计算树脂固化反应步骤中，利用控制体积有限元法求解固化反应方程，厚度上分为多层，每层树脂流动速度不一样，对流项采用质量加权迎风格式；由于厚度方向上不同位置的温度和树脂流动速度不一致，所以厚度方向上不同位置的固化度也不一致；5.如权利要求I所述的基于中面模型的非等温树脂传递模塑的流动前沿预测方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：严波，陈军，彭雄奇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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