注册并扫描二维码
免费送会刊
科技前沿

复合材料RTM成型工艺仿真技术的应用
来源:中国航空报社  2017-02-13 13:54:38
本文阅读次数:682

原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4391

 
F-35的机身蒙皮大量采用复合材料,加工过程中都实用了RTM制造工艺。-1
 
 

 
空客A350飞机机翼复合材料部件加工过程。
 
 
F-35的机身蒙皮大量采用复合材料,加工过程中都使用了RTM制造工艺。


 
  高性能复合材料以其独特优异的性能在军用、民用领域得到快速应用和发展。液体模塑成型工艺(LCM)作为一种高性能、整体成型、低成本、高精度的复合材料制造技术,起源于上世纪末美国实施的低成本复合材料计划(CAI计划)。如今,LCM已经广泛应用于航空、航天领域。LCM工艺中树脂传递模塑RTM与真空辅助树脂注射VARI应用最广,这两种成型复合材料的方法在美国四代机F-22和F-35等机型上已经大量应用;空客A380的肋、梁、机身框和悬挂接头等细长结构、形状复杂的部件均采用了低成本RTM工艺制造。
 
  复合材料LCM工艺作为航空复合材料制件整体化、低成本化重要制造技术已经成为国内航空、航天复合材料制造的应用和研究重点。自2014年起,洪都公司相继开展L15飞机减速板、前边条、舱门等部件的LCM应用研究,目前借助科研院校和材料供应商的技术支持,已经取得了良好效果。
 
  树脂传递模塑RTM是一种低压、密闭容器(模具)制造的复合材料生产方法,先将纤维(增强材料)放置于模具中,密闭之后以低压注入树脂,等树脂反应化后,打开模具完成产品制造。树脂传递模塑RTM工艺包括真空辅助树脂注入、树脂传递模塑、真空辅助树脂传递模塑、压缩RTM等环节,它提供了一种简单低成本的方式制造连续纤维增强的高分子复合材料,非常适用于形状复杂的大型结构件,而且能生产出双面光滑,具有良好表面品质的高精度的复杂构件。
 
  在航空复合材料RTM构件的开发中,由于其工艺的特殊性,需要对模具、工艺参数、工艺过程实施等进行科学的设计,否则在制造中容易产生脱粘、分层、夹杂、气孔、疏松等缺陷,使得构件不能达到其使用性能。如何在较低的成本和周期下设计出既能满足生产工艺需要,又能保证产品质量要求的RTM工艺方案,一直是LCM复合材料业界积极讨论的热点之一。传统的方法是评鉴经验进行试制、改进,不仅耗时耗力,而且难以保证产品质量。在工艺设计阶段,采用数字化技术进行工艺仿真模拟,可以协助选择最佳的RTM工艺参数,选择胶口位置,预测缺陷等,从而提高工艺设计效率、模具开发效率,降低生产成本和提高产品质量,现已经成为航空制造企业实现先进航空复合材料构件开发的关键技术之一。
 
  为了实现洪都公司航空复合材料构件的新品开发,推广RTM工艺仿真设计技术在企业内的应用,以及保障航空复合材料构件的质量。洪都公司航空制造工艺仿真工程中心(以下简称“工程中心”)与外部企业展开合作,成立项目团队,开展RTM工艺模拟仿真研究及应用工作。利用外部企业的复合材料虚拟实现分析软件平台,借助洪都公司新品开发需求,开展相关研究工作。目前,RTM复合材料工艺仿真已经在洪都公司新型号研发中得到成功应用。利用仿真技术研制出了约1.7m长的机身边条密肋复合材料结构件和全长约1.4m变截面曲面梁复合材料结构件。应用该技术的最大亮点是洪都公司首次借助数字化仿真技术实现复合材料RTM工艺设计和模具设计,进而完成产品研制。研究者采用PAM-RTM软件对拟定的树脂注射方案进行工艺仿真,确定了适合航空复合材料结构件最佳的注射工艺,及成形工艺参数,并利用PAM-DISTORTION软件平台对构件的固化变形进行了预测仿真。
 
  复合材料RTM工艺仿真可以对工艺设计提供关键数据,其中包括:模具结构设计(注射点设置要素)、模具材料(金属)选择、树脂填充温度(加热树脂至适合填充的粘度)、树脂注射压力、树脂注射关闭时间(填充满时间)、固化时间、固化温度等。并且可以对现有工艺产生的零件缺陷或质量问题进行模拟分析,找出工艺设计的关键错误点。要较好实现RTM复合材料成型工艺数字化设计和复合材料制件虚拟试验,必须利用目前复合材料设计/制造的数字化传递平台,以及工艺设计信息化管理模式。洪都公司正致力于后期的复合材料RTM工艺仿真技术应用推广,结合洪都公司信息化发展趋势,制定出适合航空复合材料构件研发的应用途径,并制定了下一步突破的技术途径:
  
  1、建立复合材料RTM材料性能数据库,以设计选材为依据,从供应商获取复合材料RTM材料数据,其中包括纤维增强材料、树脂、定型树脂的物理性能与化学性能。
 
  2、通过利用PAM-RTM软件计算分析应用,建立工艺仿真知识数据库,包括扩典型RTM仿真模型库、制件模型库、案例模型库、分析模型库以及分析结果库。其主要目的是建立仿真经验知识,提高仿真准确性。
 
  3、建立基于仿真分析的工艺设计管理,对工艺设计、工艺分析进行数据综合管理,实现生产部门针对产品的工艺方法选择。
 
  随着科研成果的技术沉淀和工程中心几年来的发展,洪都公司具备了复合材料RTM工艺仿真应用能力。为进一步加快航空复合材料构件的研发能力,以及推动RTM工艺设计水平的提升,促进企业复合材料设计、制造技术从“经验型”向“科学型”的快速转变,洪都公司正在建立一个更为稳定的复合材料RTM工艺仿真软件使用环境,制定相应的复合材料RTM工艺仿真技术应用的企业标准,嵌入到RTM工艺设计流程,进行有效的积累和管理,以形成技术应用能力,满足各型号研制中新型复合材料RTM零件制造的要求。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4391