文|编辑：日斤

通常执行基于软件的模流分析来确认优化的树脂管道布置。

在这项研究中，软件和反向扫描被用于开发一种快速孔隙度和渗透率估算的方法。

一维树脂流动和E试验结果的比较显示。

通过提出的快速估算方法获得的孔隙度和渗透率参数存在10%的变化。

此外，将获得的参数代入Moldex3D模型，以模拟真空辅助树脂传递模塑(VARTM)过程中个人船只船体上的树脂流动。

模拟结果与船体浸渍结果的比较表明，将提出的快速估算方法与Moldex3D相结合。

可以准确模拟大型纤维增强塑料(FRP)产品中的树脂流动(变化小于8%)。

所提出的方法可应用于大型风力涡轮机玻璃钢部件和大型玻璃钢游艇部件，以提高工艺规划效率和产品稳定性。

一、介绍

真空辅助树脂传递模塑(VARTM)是制造大型纤维增强塑料(FRP)部件最广泛使用的技术。

在VARTM，采用封闭成型来制造大型FRP部件(> 10米)降低了制造成本，提高了制造商在复合材料市场的竞争力。

这种方法已经广泛用于制造风力涡轮机部件和结构，包括风力叶片、机舱罩和头锥罩。

这些组件的尺寸范围从10到115 m，单次注入的组件厚度可达10-20cm。

因为这种产品的厚度和尺寸相当大。

所以制造商必须确认在树脂固化之前，纤维束之间和内部的所有空间都已经用树脂填充。

综合了过去30年报道的相关研究结果，确定了影响树脂在浸渍过程中流动特性的参数以及这些参数之间的相互关系。

在设计FRP零件的过程中，结构特性往往是主要关注点。

而与树脂流体力学相关的问题往往被忽略。

因此，必须开发一种快速估计织物渗透性的方法，以建立各种织物的树脂流动特性的数据库。

织物渗透性已被广泛研究，而一维树脂流动试验是评估织物渗透性最常用的方法。

除了一维树脂流动试验，还提出了其他渗透率估算方法。

随后，我们比较了仿真和实际输液结果，验证了所提出的快速估算方法的适用性。

当进行VARTM以生产大型FRP产品时，所提出的快速估计方法可用于获得模具流动分析所需的孔隙度和渗透率。

二、测量模流参数的方法

使用三种方法获得孔隙度、渗透率和厚度:传统的一维流动试验。

使用E系统进行测量，该系统由ESI小组开发，用于测量渗透率；以及提出的渗透率快速估算方法。

在一维流动试验中，我们评估了树脂流动前沿和流动时间之间的关系，并应用达西定律获得树脂流动渗透率K确定粘度和孔隙率后。

VARTM对制造过程进行了检查。

为了评估织物的多孔性，必须将织物堆叠在真空条件下测量其厚度。

为了估计织物的渗透性，将它们切成15x50平方厘米并根据待测量的层数进行层压。

在每片完成浸渍后，评估树脂的流动前沿和流动时间之间的关系，以及渗透性K使用以下方程获得层压材料的厚度：

该仪器配有六个压力传感器，可以记录每个观测点的分压、压力随时间的变化以及树脂流动前沿到达的持续时间。

最后，在织物中流动的树脂的饱和渗透率可以通过结合以下方程获得：

提出的快速渗透方法是作为传统的一维树脂流动测试和E方法的更省时的替代方法而开发的。

VARTM是一个稳定的过程。

因此，所提出的快速渗透方法能够在给定的层压条件下实现高水平的产品一致性。

使用CT扫描来评估织物在厚度方向上的堆叠状态，并且使用织物的TDSs来构建三维堆叠模型。

最后，模块用于估计各种织物叠层的渗透性。

三、参数验证和比较

为了评估所提出的快速渗透率估计方法的准确性，在本研究中选择了广泛用于FRP船和风力涡轮机的FRP部件的三种类型的ncf进行测试和比较。

正交各向异性双轴芯组合织物LTNM600/P3/600、四轴织物QX1800/M225和正交各向异性双轴织物LT800/M225。

它们可以与聚丙烯流动介质或短切原丝毡一起使用。

以加速树脂流动，NCF织物的孔隙度是不一致的。

桌子1, 2，以及3揭示了所选ncf的公差可以达到最大20%(单位面积重量)和最小5%，这意味着孔隙度变化影响渗透率测量的一致性和准确性。

在本研究中，每个选择的NCF由四层组成(堆叠数= 4)。

一维流动测试和E用于估计织物的孔隙率和渗透性，然后用作后续比较的基准。

所选三种ncf的TDSs表明，单层织物的重量变化可以达到5%。

也就是说，所选ncf的极端重量变化可以达到10%。

然而，当VARTM用于灌注大部件时，树脂在模具中的流动距离x-方向和y-方向的应力远大于厚度方向的应力。

此时，树脂流动前沿主要受渗透率的影响x-方向和y-方向。

虽然通过各种估算方法获得的厚度方向渗透率值存在一些误差，但我们使用了PWC船体来验证Kz当厚度方向渗透率的顺序Kz保持不变。

总之，提出的快速估算方法大大降低了渗透率测量试验的频率。

仅根据织物的TDS和CT扫描结果，只要检查特定的层数，就可以准确地获得它们的渗透性和孔隙率。

与常用的一维流动试验和E方法相比，本文提出的估算方法耗时更少，更可靠。

此外，所提出的方法满足各种行业的实际需要。

四、PWC船壳模具的注入验证

为了验证使用所提出的快速估算方法获得的渗透率和孔隙率是否足够精确地应用于大型FRP部件的3D模流分析。

我们使用PWC船体作为验证目标，并将通过VARTM获得的浸渍结果与通过模流分析获得的结果进行比较。

我们将获得的渗透率和孔隙率代入Moldex3D进行3D模流分析。

首先，我们比较了各种管道布置所需的灌注时间，然后我们选择了合适的管道布置，用于在PWC船体上进行的实际灌注。

本研究中使用的PWC船体的长度、宽度和深度分别为3.5米、1.1米和0.5米。

PWC船体具有许多弯曲部分，这些弯曲部分表现出连续的弯曲角度和弯曲半径，这增加了进行织物铺层的难度。

当织物不能完全贴合模具表面时，会产生额外的通道来加速树脂流动。

这种现象称为“桥效应”，它会导致模流分析结果与实际注射结果相差很大。

为了避免这种现象，本研究的重点是确保被检测的织物紧密贴合模具表面。

三个受检的ncf在PWC壳体的不同区域没有分布介质的情况下进行层压。

四层LT800/M225层压在侧板上，四层LTNM600/P3/600层压在底板上，四层QX1800/M225层压在艉板上。

此外，在相同的层压条件下，选择两个平行的树脂管布置和一个鱼骨状树脂管布置用于模流分析，以确定最佳的浸渍条件。

Moldex3D和表中列出的渗透率和孔隙度参数5用于三维模流分析。

浸渍过程中树脂的粘度为260厘泊，真空压力为0.1兆帕(1巴)。

模流分析和外壳注入结果的比较揭示了树脂流到相关进料管所需的时间(即外壳注入结果)。

这些变化结果类似于制造过程中产生的织物孔隙可变性。

因此，分析变化范围是可接受的。

这一发现也证实了所提出的渗透率估算方法是准确的，该方法包括结合使用织物TDSs和CT扫描。

模流分析结果与实际外壳注入结果一致；具体来说，它们之间的变异为5.23%。

完成注入所需的时间在最终模流分析中为1174秒，在实际船体注入测试中为1264秒；因此，这些结果是相似的。

五、结论

本文提出了一种快速有效的方法来估算叠层织物的透气性和孔隙率。

所提出的快速渗透率方法不需要进行传统的渗透率测量试验，如一维树脂流动试验，这通常需要1周才能得到优化的树脂管布置。

相反，只需应用织物的TDSs和CT扫描结果，就可以在构建FRP叠层的三维模型，只需一天时间即可获得优化的树脂管布置。

使用所提出的快速渗透方法获得的结果被成功地应用于预测各种织物的孔隙率和渗透率。

并且所获得的参数与使用传统的一维树脂流动测试和E方法获得的测量结果一致。

因此，通过使用所提出的快速渗透方法，可以在一天内获得优化的树脂管道布置，这对于在各种行业中的应用是非常实用的。

此外，Moldex3D用于模拟VARTM期间PWC船体的树脂流动。

Moldex3D模型中使用的渗透率和孔隙度的输入参数是使用建议的快速渗透率方法获得的。

模拟结果与船体浸渍结果的比较表明，树脂流动前沿的变化小于8%。

目前的研究结果表明，Moldex3D可以准确地模拟大型玻璃钢构件中的树脂流动条件。

对于风力涡轮机叶片和其他相关大型FRP部件的制造，所提出的快速评估方法可用于管道布置的规划和初步评估。

参考文献

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