泡沫芯结构VARI 工艺树脂渗透行为研究

2021-11-13李祎燊王宇宁郭俊刚李玉军蔡冠雄

锻压装备与制造技术 2021年5期

李祎燊，闫超，王宇宁，郭俊刚，李玉军，蔡冠雄

（1.中航飞机股份有限公司，陕西西安 710089；2.西北工业大学机电学院，陕西西安 710072）

1 绪言

相较于传统结构材料，先进复合材料具有比强度高、比模量大、可设计性强、耐腐蚀以及便于整体成型等一系列优点，是轻质高效结构设计最理想的材料[1]。近年来，随着先进复合材料制造技术的发展，复合材料的应用也越来越多，尤其在民机领域，例如波音和空客研发的最新机型B787 与A350，其复合材料的结构重量已经超过50%[2，3]。复合材料泡沫夹芯结构由于其轻质高强的特点，已被广泛应用于各飞机型号研制中，其结构也逐步向着超厚尺寸、变曲率方向发展。相较于热压罐工艺，液体成型工艺为低压成型，能有效避免泡沫芯收缩、压塌等现象，可保证织物与泡沫芯有效粘接，避免空隙等无损问题，整个工艺具有较明显的成本优势和质量优势[4]。

VARI 工艺（真空辅助成型技术，VARI-Vacuum Assisted Resin Infusion）是在RTM工艺上发展而来，是一种新的低成本复合材料成型技术。VARI 工艺采用单面模具，用真空袋密封纤维增强材料，利用真空排除纤维增强材料中的空气，通过树脂的流动、渗透，实现树脂对纤维增强材料的浸渍，并利用烘箱等非热压罐固化设备进行固化[5-6]。相较于RTM工艺，VARI 工艺为低压成型，可有效避免压力不足或压力过大造成的空隙超标，泡沫芯损伤等缺陷，同时因固化压力小，产品最终变形量也相对较小，对于保证零件成型精度极为有利，目前已逐步应用于各类复合材料泡沫夹芯壁板的生产。

VARI 工艺采用单面模具，零件一侧与模具贴合，另一侧与真空袋贴合。为了保证树脂浸润效果及浸润速度，VARI 工艺常在零件靠袋面铺放导流网，以保证零件上蒙皮与泡沫芯上表面有较好的结合效果；而复材零件所用泡沫芯均为闭孔聚酰亚胺材料，树脂无法沿泡沫芯厚度方向渗透。为了保证零件贴模面的气动外形面要求，贴模面无法铺放导流网，整个零件芯下层缺少有效的导流措施，树脂渗透难度大，易形成各类质量缺陷，因此需对泡沫芯采取开槽、开孔等处理措施，提高芯下层树脂渗透速度，保证树脂能充分浸润整个泡沫夹芯结构。但开孔或者槽的尺寸大小、槽的位置、间距等参数的确定，仅靠工艺人员的经验和试验则会拉长产品研制周期，浪费人力、物力和财力。

近年来，随着数值仿真技术的普及与应用，采用仿真计算的方法确定VARI 成型工艺参数及模具结构越来越受到人们重视，该方法可以在较短的时间内得到不同工艺参数、结构对VARI 成型质量的影响，从而指导实际工艺过程，大幅度降低工艺成本[7-9]。本文正是基于数值模拟仿真方法，针对泡沫结构VARI 工艺树脂浸润过程进行仿真和实验研究，借助PAM-RTM仿真软件，研究泡沫芯不同处理措施下的VARI 树脂渗透过程，得到不同处理方式下的树脂浸润结果，从而确定更为合理的泡沫芯处理方式。同时，借助典型泡沫芯渗透试验进行模型验证，为VARI 工艺在泡沫夹层类制件的工程化应用推广提供参考。

2 VARI 成型数学模型

复合材料VARI 工艺充模过程是一个复杂的物理化学变化过程，在模拟仿真时需要做出一些假设从而减小建模工作量，提升计算效率：①树脂反应中会有放热现象发生，从而引起模具温度和树脂黏度的变化等。考虑到充模时间较短以及树脂化学反应较为缓慢，因此本研究中不考虑树脂的化学反应放热；②纤维增强体表示为刚体，不随树脂的流动而变形，而充模时的压力较小，可将树脂看作不可压缩的牛顿流体，且纤维和树脂之间无质量交换；③相较于树脂流动的驱动力，表面张力很小，同时忽略模腔壁的阻力[10]。

在VARI 成型工艺过程中，树脂在模腔内的流动可视为牛顿流体在多孔介质中的流动，而各向异性多孔介质中流体的渗流可以用达西定律表示：

对于不可压缩流体，其连续方程可以表示为：

在x 方向的入口处边界，通常为恒压或者恒速，该方向的流动方程可以表示为：

式中：Q 为体积流率，h 和w 表示纤维织物的厚度和宽度。不考虑流体的均匀性的情况上，上述公式可以简化为：

式中：A 表示试样的横截面积m2。

3 试验结果与仿真比较

3.1 VARI 成型试验方案

VARI 成型试验件所用主材料为Toolfusion-3 环氧树脂，该树脂为双组份环氧树脂体系，树脂（Part A）与固化剂（Part B）的比例为100:85，AIRTECH 公司。泡沫芯为Cascell 75WH-HT-δ25mm 刚性泡沫塑料，中科恒泰公司。

机加工1 块400mm×200mm 泡沫芯，在泡沫芯的前100mm 长度方向上，每隔25mm×25mm 沿泡沫芯厚度方向开1mm 的通孔，在剩余长度方向上，一半沿长度方向每隔25mm 开1mm 深×1mm 宽的单向槽，一半沿长度及宽度方向每隔25mm×25mm 开1mm 深×1mm 宽的十字槽。按VARI 工艺放置其余辅助材料，并在上表面1/3 位置处放置导流网，同时布置注胶口及出胶口，在透明玻璃板上制真空袋，将Toolfusion-3 注入泡沫芯中，观察并记录泡沫芯树脂渗透过程，如图1 所示。

图1 泡沫芯浸润验证试验

3.2 VARI 成型仿真过程

本文使用的仿真软件为PAM-RTM，该软件对于液体成型仿真极为适用，可以仿真分析VARI 成型中注胶口和溢口的位置及数量，预测树脂在预制体中的流动状态，以及注胶时间和注胶压力等[11]。借助PAM-RTM仿真分析软件，构建泡沫芯VARI 工艺树脂渗透模型，对照实际泡沫芯试验件，分别对泡沫芯模型做开孔、开十字槽、单向槽处理。采用NDJ-8S 旋转式数显粘度计实验装置进行树脂黏度的测试，测试其黏度为160Pa·s，并将该实验结果输入到仿真软件中。为了可以准确捕捉到树脂沿泡沫芯的流动过程，仿真模型采用三角形网格进行单元划分，同时需要将网格细化，其中网格数量为498246，节点数为499894，如图2 所示。将设置好边界条件和材料参数的模型进行计算，观察仿真结果并记录，分析不同泡沫芯处理方式对树脂浸润过程的影响。

图2 泡沫芯树脂浸润仿真模型

3.3 试验结果与仿真结果对比分析

3.3.1 注胶-开孔泡沫芯阶段

对泡沫芯采取开孔处理等同于在泡沫芯上下表面搭建了多个沿厚度方向的树脂流道，沿导流网流经上表面的树脂也可通过泡沫芯上的小孔沿厚度方向向下浸润，如图3 所示。每处通过小孔达到泡沫芯下表面的树脂均可看作在下表面内部新增了多个小的点注口，如图3a 所示。这些点注口树脂成圆状向四周浸润扩散汇集，形成均匀的流动前锋向前浸润，如图3b 所示，可以看到仅通过5min，树脂便可以在开孔泡沫芯上长度方向上浸润10cm。开孔处理方式有效借助了泡沫芯上导流网的渗流效果，进一步提高了整个泡沫芯结构树脂浸润速度，并且树脂的流动前沿分布非常均匀。

图3 开孔泡沫芯下表面树脂浸润过程试验与仿真结果

3.3.2 注胶-开槽泡沫芯阶段

对泡沫芯采取开槽处理时，树脂无法沿着泡沫芯厚度方向流动，但泡沫芯上新增的这些细小的槽可视作多个快速流道，如图4 所示。对单向槽而言，树脂在浸润时率先沿着单向槽向前快速浸润后，槽内树脂再向两侧逐步浸润满整个泡沫芯下表面，树脂流动前锋呈现“山”字状，贴模面一侧树脂流动速度显著提升；采用十字槽时，树脂也能沿开槽后形成的快速流道向前浸润，但树脂流动方向垂直的横向槽对树脂流动起到了分流作用，树脂流动前锋呈现“十”字状，在纵横交错的快速流道作用下，树脂率先形成多个“口”字型的小的树脂包裹区域，口型包裹区先沿着四周的十字槽浸润后再向口型区中间位置逐步浸润。可以看到，数值仿真的结果与试验结果非常接近。但相较与单向槽，两种处理方式下贴模面一侧树脂流动前沿速度基本一致，即十字槽一侧树脂抵达出胶口位置的时间与开单向槽泡沫芯一致，但十字槽区仍存在较多未渗满的口型包裹区，与同侧单向槽相比，泡沫芯树脂浸润程度较差，随着时间延长，单向槽区泡沫芯已全被树脂浸润，而十字槽区仍存在部分未渗满区域，且十字槽泡沫芯区域起始位置段所形成的口型区中间树脂浸润后的颜色较浅，树脂浸润不充分，最终树脂浸润满整个泡沫芯所需时间明显久于单向槽结构。

图4 开槽泡沫芯下表面树脂浸润过程

由上述比较可以看出，相较于开槽工艺，开孔工艺有效连通泡沫上下表面树脂渗透过程，而开槽工艺则仅是在泡沫芯底面构建了多条快速通道，依靠快速流道对树脂的导向作用实现树脂渗透。开孔工艺所形成的多个点注口数量多，点注口向四周呈椭圆扩散覆盖面更快更广，整个树脂流动前沿更为均匀，最终体现为开槽工艺树脂渗透速度略慢于开孔工艺。实际浸润过程中，浸润100mm 的泡沫芯，开孔后所需时间仅为5min，而对应的单向槽和十字槽分别需要7min 和9min 的时间，开孔工艺的效率明显高于单向槽和十字槽工艺。