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复合材料结构制造中的树脂灌注模拟
工程3(2017)596研究智能制造-综述复杂复合材料结构制造中织物增强材料的树脂灌注模拟Robert S. Piercea,b,Brian G. Falzonb,*a北爱尔兰先进复合材料和工程中心,贝尔法斯特BT3 9DZ,英国b贝尔法斯特女王大学机械与航空航天工程学院ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录:2017年2月28日收到2017年5月7日修订2017年5月8日接受2017年9月25日在线发布保留字:复合材料纺织增强悬垂输注数值模拟对减轻重量和提高燃油效率的需求不断增加,这继续刺激复合材料在商用飞机结构中的使用随后,随着复合材料飞机结构变得更大和更复杂,传统的高压釜制造方法变得过于昂贵。这促使人们对将树脂引入增强预成型件中的高压釜外加工技术重新产生兴趣然而,这些树脂灌注方法的成功高度依赖于操作者的技能和经验,特别是在复杂部件的新制造策略的开发方面过程建模作为一种预测性计算工具,旨在解决传统试错法所带来的可靠性和浪费问题基本的建模尝试,其中许多仍然在工业中使用,通常集中在模拟通过各向同性多孔增强材料的流体流动然而,最近的努力开始考虑编织材料的多尺度和多学科复杂性,在模拟中可以提供更大的保真度。特别是,新的多物理过程模型能够通过考虑织物变形对增强材料内的渗透性和孔隙率特性的影响来更好地预测通过织物的渗透行为除了回顾与过程建模相关的先前研究和最新技术水平之外,本文还强调了针对复杂双圆顶组件的实验注入的多物理过程模型的最近验证。通过考虑变形相关的流动行为,多物理过程模型能够预测实际的流动行为,证明了相对于基本的各向同性渗透率模型的显著改进© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证(http://creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍商业航空航天工业正在不断努力开发更坚固和更轻的结构。复合材料,特别是碳纤维增强塑料(CFRP),已经成为传统铝合金的流行替代品。CFRP具有优越的比强度和刚度、良好的结构阻尼和能量吸收特性,以及更好的抗疲劳性和耐腐蚀性[1]。此外,它们在高度集成的复合结构的设计中允许更大的灵活性,这可以大大减少部件数量和对机械紧固的需求例如,当空中客车公司在1985年将复合材料垂直尾翼引入其A300和A310飞机时,他们能够实现零件数量从2076个零件的原始金属设计减少95%[2,3]。这导致了95个部件的结构,重量减轻了400公斤,制造和组装成本也更低[3]。起初,纤维增强复合材料仅用于商用飞机的第三结构中,并且仅占总结构重量的然而,到20世纪90年代中期,复合材料已经扩展到几乎所有的二级结构,并占总结构组成的15%目前,* 通讯作者。电子邮件地址:b. qub.ac.ukhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.04.0062095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect工程杂志主页:www.elsevier.com/locate/engR.S. Pierce,B.G.Falzon/工程3(2017)596597最新一代的宽体飞机,如波音787和空客A350,能够在大部分机身上使用纤维增强复合材料,复合材料占飞机结构重量的50%以上[4]。窄体飞机也取得了类似的进展,庞巴迪C系列和联合飞机公司IrkutMC-21的复合材料成分超过40%[5]。图1显示了自20世纪70年代以来复合材料在商用飞机结构中的应用。1.1. 材料和制造航空航天复合材料通常由单向(UD)碳纤维的堆叠片材制造,所述单向(UD)碳纤维已经用树脂预浸渍(称为然而,为了制造更坚韧和更有弹性的结构,可以使用织物增强材料。这些由编织碳纤维丝束制成,可以以干燥或预浸渍的形式使用。与UD垫片相比,在降低刚度(10%-30%)和轴向强度(15%-35%)的情况下,可获得更好的操纵特性、抗冲击性、损伤容限和缺口敏感性毛皮织物增强复合材料具有优异的平面外机械性能,具有更大的剥离强度和减少的裂纹扩展。干织物还表现出比复杂工具更好的成形能力,特别是对于双曲率几何形状,其中UD夹具和带经常分裂[6]。纺织增强材料的结构也对复合材料的行为有相当大的影响,这意味着可以为特定的角色定制材料[7]。因此,在工业中使用了各种各样的机织、针织和非卷曲织物。预浸材料的加工通常依赖于固化在高压釜中,在相当高的热量和压力下循环,以生产高质量的最终部件。然而,在许多情况下,对于复合材料飞机结构来说足够大的高压釜可以高压灭菌器的成本是类似尺寸的烘箱的3因此,高压釜外技术,如柔性模具下树脂灌注(RIFT)[8],正在成为传统预浸料方法的流行替代品,用于中大型应用,产量较低。RIFT方法通常涉及在允许树脂渗透通过预成型件之前,在真空下在刚性模具上一旦填充,该部件在环境条件下或在烘箱内的高温下固化,同时保持真空。这种方法可以大大降低制造大型复合结构的资金和持续成本,因为不需要高压釜。通过将高压釜外技术与干燥织物增强材料的使用相结合,可以减少材料浪费,与易腐烂的预浸料相比[1]。然而,可靠性和可重复性问题仍然对航空航天工业中广泛采用树脂灌注成型工艺提出了重大关注。这些方法在很大程度上依赖于操作人员通过经验实践获得的技能和经验,这可能导致相当大的大型和高度集成的复合材料飞机结构的发展加剧了试错法的弱点。模拟树脂灌注制造工艺的现代努力旨在以具有成本效益的方式解决可靠性和可重复性问题。1.2. 过程建模树脂灌注过程建模特别复杂每种应用基本上取决于增强材料在形成时的机械行为、树脂在灌注期间的流变行为、甚至树脂体系在固化期间的化学行为。此外,这些行为可以在纺织增强材料中的不同尺度上发生根本性的变化。这些材料的行为通常在三个层次尺度上进行研究:宏观尺度、中尺度和微观尺度。宏观尺度是指整个织物层或整个预成型件的行为。介观尺度与纺织品编织的内部结构和纱线本身有关。微尺度聚焦于每根纱线中的单个纤维。图2显示了纺织增强材料的三种不同层次尺度。从建模的角度来看,宏观尺度是最常用的最快和最简单的方法,假设在整个纺织品预成型件中均质[9]。中尺度模拟通常试图重新创建复杂的纱线几何形状和它们在织物组织中的相互作用。因此,中尺度模拟需要更大的计算工作量,并且对于模拟大的域不是有效的。最后,微尺度建模通常旨在复制纱线中单个纤维的分布和相互作用。因此,微尺度建模是最雄心勃勃的方法,并且通常限于非常小的域。计算能力的提高和用户友好的软件包的普及促进了对各种规模的树脂灌注的不同方面的大量研究。一般来说,制造过程分为两个主要的研究领域:增强材料的物理成型,称为这两个领域的研究往往假设他们是独立的过程。但是纺织品变形和灌注行为之间的已知联系[10],这对于具有复杂曲率的复杂结构特别重要。鉴于这一联系,为了开发预测成形的图1.一、1970年以来按结构重量划分的商用飞机复合材料组成。图二、 纺织增强材料的分级尺度。598R.S. Pierce,B.G.Falzon/工程3(2017)596注入和织物增强复合结构的最终性能[11,12]。本文回顾了纺织增强复合材料的注入过程建模的发展,并涵盖了一系列有益的研究领域的悬垂建模,材料表征和注入建模。最近的工作,这些作者,这表明使用先进的多物理过程模型,也强调了这篇文章。2. 悬垂造型研究了复杂模具上织物悬垂的物理响应和模拟,用于各种应用。除了对复合增强材料的工程兴趣之外,服装和动画行业还研究了织物悬垂的模拟。用于预测织物悬垂行为的第一分析模型采用基于几何映射的方案。接下来,基于美学粒子的方法在20世纪90年代开始出现在非工程应用中。然而,最准确和可靠的计算方法现在依赖于连续、离散或半离散方法。这些都需要了解织物的机械性能,以便逼真地模拟变形行为。因此,大量的工作集中在更好地理解和表征织物变形的机制,以支持预测模型。2.1. 力学性能每种建模方法都建立在不同的假设基础上,并且可能需要不同的机械材料特性来模拟织物行为。例如,在考虑小的单个纤维组的微尺度模型中,可能仅需要纤维的弹性性质及其相互作用。或者,在编织纱线的中尺度模拟中,所需的特性可以是摩擦和纱线特性。另一方面,宏观模型通常忽略纱线和纤维的细节,并将织物视为均匀的材料层。因此,在宏观模拟中需要织物的机械性能;在这些性能中,面内剪切通常被认为是主要的变形机制[13]。增强纤维的高拉伸刚度使得拉伸性能对宏观织物行为非常重要。或者,这些织物的相对较低的弯曲刚度仅被定义为改善对弯曲行为的预测[14],或者被完全忽略[15]。由于大多数研究旨在了解宏观尺度-作为制造复合材料结构的纺织增强材料的替代品,织物拉伸、剪切和弯曲性能的表征仍然是优先考虑的问题。尽管缺乏几个适当的标准,但这些特性通常通过实验表征。然而,为了预测宏观织物行为,还研究了详细的中尺度或微观模型与实验表征的纱线或纤维特性的结合使用[16,17]。这些预测方法对于开发新的纺织品或表征由相同纱线或纤维制成的一系列不同织物可能是优选的宏观实验表征通常更适合于确定特定预先存在材料的特性。从力学的角度来看,悬垂行为已被证明是很难准确复制。机织经纱和纬纱具有相当大的拉伸强度和刚度,但在剪切和弯曲模式下极易发生重取向。因此,任何对悬垂性建模的尝试都必须准确地考虑纱线由于纱线重新定向,悬垂研究通常采用 这是一个测量的角度变化之间的经纱和纬纱在织物中作为变形的结果,如图所示。3.第三章。在初始未变形状态下,经纱和纬纱是垂直的,对应于0°的剪切角。然而,当施加剪切载荷时,会发生网格化行为并且剪切角增加。最终,纱线之间的间隙闭合,开始侧向压实,导致“锁定”效应和相当大的这通常发生在30°和60°之间的剪切角下,这取决于预成型件的结构。超过该点,进一步的剪切载荷可能导致平面外屈曲行为,也称为屈曲。为了模拟的目的,通常会忽略重复行为同样,悬垂模型通常忽略交叉处纱线的滑动2.1.1. 拉伸表征织物的拉伸性能由每根纱线内纤维的刚度驱动,但在悬垂期间往往仅起次要作用。一个纱线方向的拉伸载荷已被证明对另一个纱线方向的拉伸行为有一定影响,这表明需要双轴表征来支持悬垂模型[16]。然而,双轴钻机,测试十字形形状的样品在经纱和纬纱方向在不同的负载率是具有挑战性的建设和操作。因此,没有双轴测试标准,通常采用单轴“抓”和“剥离”[19]测试,通常假设双轴行为可以忽略不2.1.2. 剪切表征纺织增强材料的剪切行为往往是高度非线性的。在克服低载荷下的初始摩擦之后,织物纱线在剪切载荷下相对自由地旋转;然而,随着材料最终达到“锁定”状态,剪切阻力呈指数增加。织物剪切性能的早期研究采用Kawabata简单剪切试验,其中样品的一端固定,另一端横向剪切[20]。然而,这种方法是为服装行业开发的,并且被发现仅限于纺织品的小剪切变形由剪切载荷引起的重定向[18]。由于重要的-图。3.第三章。 织物剪切变形的结果和剪切角的定义。R.S. Pierce,B.G.Falzon/工程3(2017)596599加强材料[21]。由于这一限制,现在更流行的是使用画框测试或偏压扩展测试,这两种测试都依赖于轴向测试。画框测试使用方形或十字形样品,将其夹在具有销接角的菱形框架中[22]。然后可以使用标准拉伸试验机通过延伸框架的两个相对角来剪切织物。该方法显示出良好的重复性和整个样品的均匀变形;然而,已知夹紧和对准问题会影响结果[23]。或者,可以使用简单的夹具进行偏置延伸测试,以避免任何夹紧或对准问题。切割矩形试样,使得长加载方向平分经纱和纬纱方向(织物当在标准拉伸试验台上进行测试时,剪切变形在整个样品上产生不均匀分布,其中只有中心菱形区域经历纯剪切。此外,在较高载荷下,纱线滑移可能发生在夹紧边缘附近,因此应使用数字图像相关(DIC)等光学应变测量技术,而不是直接的运动学计算,以获得准确的结果[23]。最近的工作已经证明了拉伸和剪切性能与双轴偏压拉伸试验的耦合, 其中横向载荷也可以施加到样品上。这项工作发现,额外的纱线张力会影响剪切行为,也可以减轻平面外屈曲(屈曲)的发生[24]。然而,最终,尽管在建立测试基准[25]方面做出了重大努力,但仍然没有制造剪切测试的标准。2.1.3. 弯曲表征由于纱线和纤维之间的内部摩擦,纺织增强材料在加载和卸载过程中表现出弯曲滞后[26,27]。因此,传统的悬臂梁弯曲试验,假设线性弹性弯曲行为,是不理想的,这些相对较厚和刚性的材料。对于织物的Kawabata评估系统弯曲测试也是如此。因此,通过结合机械和光学测量技术对原始悬臂梁测试进行了修改,以确定非线性和非弹性弯曲行为[26]。或者,Harrison等人[24]根据对剪切-拉伸耦合实验期间产生的褶皱的研究,提出了表征弯曲行为的逆方法。预制件材料的弯曲特性影响着褶皱的形成,这对于复杂复合材料结构的制造和开发是一个重要的问题2.2. 早期的悬垂模型预测织物变形行为的第一种方法是基于几何映射的方案,如Mack和Taylor在1956年所述[28]。这些“渔网”或“运动学”模型将织物表示为销接网,忽略任何纱线延伸或滑动。虽然这些模型相对简单和有效,但它们没有考虑应力、应变或剪切锁定等力学现象,并且仅限于没有孔、桥或复杂曲线的简单问题。因此,运动学模型最终被更强大的成形算法所取代[29]。在20世纪90年代,计算机动画和服装行业研究了基于粒子的悬垂模型的使用,该模型将织物表示为具有有限材料属性的微机械结构元素的不连续片材[30]。尽管它们在美学上取得了成功,但这些基于粒子的方法并不适合工程应用,因为它们忽略了变形或应力的任何技术计算。它们后来被连续、离散和半离散模型所取代。2.3. 连续统方法悬垂建模的连续体方法开始作为已建立的有限元金属成形模拟的扩展[31]。这种宏观建模采用标准有限元,通常是壳或膜单元,并假设织物增强作为一个均匀的材料片。因此,基于连续体的覆盖模型的准确性主要取决于其本构模型的真实性和其材料属性的定义。这种方法的一个局限性是它不能预测纱线滑动,除非这种行为是由材料特性固有地定义的。此外,平面外行为常常被忽略[32,33]。各种本构模型已被用于织物悬垂的连续体方法中,尽管更有效的方法倾向于通过使用非正交或各向异性公式来跟踪和更新材料变形时的纤维取向。这些纺织增强材料的两种比较成功的本构建模方法是超弹性和次弹性模型。超弹性方法可以解释大的变形、各向异性和非线性弹性,因此它们通常用于响应于非常高的应变而表现出弹性的橡胶或弹性泡沫。这些方法通过从应变能泛函计算应力来工作,并且可以在织物悬垂期间精确地跟踪多个纤维方向Ten Thije等人[34]结合了一种这样的方法,该方法来自亥姆霍兹自由能定理。与此相反,亚弹性模型与应力增量直接相关应变增量与包含拉伸和剪切材料模量的本构张量。亚弹性本构模型对于具有可逆非线性行为的材料最有效,并且通常用于大应变下的各向同性分析[35]。然而,对于织物悬垂模拟,Yu等人也开发了[36]和Xue et al.[37].这些模型已用于与织物悬垂相关的各种应用[32,38],包括纱线行为的中尺度建模[35]。最近,已经使用非正交次弹性连续体方法开发了编织复合增强材料的宏观模拟[33,39,40]。超弹性和次弹性本构模型均显示出比传统Jaumann或Green-Naghdi方法的显著改进,这些方法假设在整个变形过程中正交[34]。2.4. 离散和半离散方法离散和半离散方法避免了纺织增强材料的宏观尺度均质化,而是物理地表示织物的中尺度或微观尺度特征,考虑材料内由于仍然不可能真实地模拟每根纱线中的每根纤维用于中尺度或宏观模型,因此这些离散方法仍然需要一定程度的简化,并且通常将纱线表示为梁或桁架单元,使用弹簧来模拟相互作用或剪切效应[41]。最近的中尺度建模工作将纱线表示为多达48个离散束的束,而不是数千个单独的纤维[42]。这种方法采用了丰富的运动梁模型,以及先进的纤维摩擦和接触算法,以更好地预测纺织品增强行为。在这种尺度下,由于任何材料连续性假设仅限于纤维束,因此可以模拟纱线滑移。然而,由于计算费用,这种方法是不可行的宏观建模的一个完整的部分。600R.S. Pierce,B.G.Falzon/工程3(2017)596在其他研究中,纱线在三维实体单元的重复单元(RUC)内建模,以预测不同纺织品的中尺度行为[43]。如果纱线变形和接触相互作用被适当地定义,该方法具有预测纱线滑动的潜力。然而,这种行为特别难以表征,因此这些模型仍然限于中尺度应用,并且通常用于预测材料表征[16]。将这些离散方法的各个方面与连续有限元实践相结合,形成了半离散方法的混合组,其中使用专用元素的连续片材来表示纺织增强材料。每个专用元件由离散数量的编织RUCs组成[44]为了更高的效率,这意味着整个部件的宏观模拟是可能的,并且弯曲行为可以被并入以更好地进行褶皱模拟[45]。例如,Allaoui等人[46]使用考虑弯曲行为的半离散悬垂模型,改进了冲压成形过程中的褶皱行为预测。半离散方法不使用应力张量,而是直接从纱线张力、面内剪切和弯曲定义晶胞载荷。与连续体方法一样,半离散方法可能会高估面内刚度,因为忽略了纱线滑移。然而,半离散方法比连续方法需要更少的综合材料表征,并且比离散方法更有效。最后,据报道,半离散方法是模拟织物悬垂的最现实的方法[47],尽管它们开发起来特别复杂。3. 输液建模树脂灌注建模的主要目的是预测流体流动,并确认在树脂的工作寿命内制造将是成功的,而不会在零件中留下干点或空隙。此外,输注建模可以帮助设计和开发制造策略,特别是入口、出口和流动增强分布介质的位置[48]。通过复合增强材料的树脂灌注通常由达西定律描述,如等式(1)所示。(1),因为假设牛顿流体以低速通过多孔介质是合理的:K迄今为止,还没有用于确定这些性能的标准测试。目前的测试方法显示出相当多的有据可查的可变性[52,53]。这种可变性是两种不同尺度下的复杂流动的结果:纱线之间间隙中的粘性流动,以及每根纱线内纤维之间的毛细管流动[54]。机织物的随机性、对人工操作的敏感性和嵌套效应是实验可变性的进一步原因[55,56]。因此,对基准渗透性测试的初步尝试表明,对于相同材料,不同实验室的不同实验方法可能会相差一个数量级[52]。此外,在同一实验室内进行的类似方法也可能导致相对标准偏差大于±30%[52]。然而,最新的基准测试结果显示,该误差显著降低,因为使用相同方法的不同实验室能够产生相对标准偏差为±20%的结果[53]。3.1.1. 实验方法渗透率表征实验最常用于确定织物增强材料的面内特性,而不是厚度方向特性。 两种比较流行的面内表征方法是线性流和径向流实验。线性流动实验监测线性流动前沿,因为它从一端到另一端穿过增强材料的矩形样品,而径向流动实验从中心入口点在两个维度上追踪椭圆形流动前沿[50]。任何一种方法都可以在饱和(预润湿)或不饱和(干燥)材料条件下进行,具有恒定压力或恒定流速控制。测试流体通常是植物油、玉米糖浆、机油或硅油,它们是加热树脂的代表。线性测试通常被认为具有更好的可重复性[53,57]。然而,对于各向异性织物材料,线性测试需要比径向方法更多的测试,径向方法可以从单个实验中定义各向异性渗透性能。渗透性实验通常依赖于目测方法[58];然而,也使用了热、电和压力测量传感器[59]。Ahn等人[60]研究了用于三维渗透率表征实验的嵌入式光纤传感器。在所有情况下,重要的是要确保试验腔体具有足够的刚性,以抵抗P(一)可能影响流动行为和渗透率计算。该方程将流速v与渗透率K、流体粘度μ和通过系统的总压力梯度相关联,好吧在这些参数中,流体粘度和压力梯度在大多数制造情况下可以容易地测量或控制。然而,织物渗透性提出了更大的挑战,必须通过实验或预测建模来表征,以便有效地模拟注入。3.1. 渗透率表征渗透率是流体流过多孔材料的容易程度的量度。对于织物增强材料,大多数灌注应用依赖于各向异性的平面渗透性;然而,在厚叠层的情况下,贯穿厚度的渗透性也可能很重要。据报道,许多预成型织物的横向渗透率通常比面内渗透率小一个或两个数量级[49],因此对通过薄铺层的流动几乎没有影响。织物中的各向异性渗透率通常由两个主要渗透率值K1和K2以及主要渗透方向φ定义[50]。尽管织物渗透性在灌注建模中很重要,并且在该领域进行了大量研究[51],3.1.2. 预测建模大量的研究已经调查了预测渗透率模型的发展,以克服实验表征方法的繁琐和不可靠的性质。Kozeny最初尝试对多孔材料的渗透性进行 建模 ,并 由 Carman 进行 了修 改[61] 。 由此产 生的 Kozeny-Carman方程假设层流通过管束,作为通过多孔材料渗透的表示,并依赖于几个不可测量的参数。或者,已经提出了预测UD增强材料渗透性的润滑模型[62],该模型假设正方形或六边形纤维堆叠排列。然而,这些建模方法都不严格适用于真正的双尺度问题,其中纱线间的大孔和纱线内的微孔都存在。最近,其他工作已经模拟了通过织物架构的RUCs的流动,具有不同程度的几何简化[63,64],并且在一种情况下使用晶格玻尔兹曼方法[65]。所有这些方法都是基于理想的纱线横截面和波度。纺织增强材料的真实纱线横截面也通过光学相干断层扫描成像,以预测渗透性[66]。Nedanov和Advani[67]和Takano et al.[68]已执行R.S. Pierce,B.G.Falzon/工程3(2017)596601阿勒特 渗透率预测的替代两步法,以考虑双尺度渗透率效应。首先基于单个纤维之间的流动计算纱线内渗透率,然后确定通过大孔的纱线间流动。纱线内部的渗透率一般认为是两个数量级的幅度小于织物架构[67],因此往往被忽视。为了提高效率,还开发了采用基于体素的有限差分方法[69]、三维代表性体积元素[70]或降维网格方法[12,71]的其他模型。随机变量,如丝束间距和铺层嵌套也已被研究用于纺织增强材料[72,73],但在预测渗透率模型中并未广泛考虑。虽然这些表征模拟相对较快,它们倾向于过度简化通过多孔织物增强体的真实流动行为。此外,这些方法的有效性和准确性仍然依赖于广泛的实验测试。因此,尽管存在已知的可重复性问题,但对于精度至关重要的情况,渗透率的实验方法仍然是更受欢迎的选择。3.1.3. 变形相关性织物变形会对渗透性能产生显著影响;当纱线重新排列时,它们会影响材料的孔隙率和纤维体积分数。这在简单的平板中不是问题;然而,在具有复杂曲率的结构的制造中,广泛的剪切变形将对渗透性和灌注期间树脂的后续流动产生强烈影响。已对该行为进行了广泛研究;在许多情况下,变形相关的渗透率特性可因剪切而改变50%以上[12,70,71,74]。Hammami等人[74]发现,缝合、双向、无卷曲织物的各向异性增加了4倍,这是由于随着剪切角的增加,K1主渗透率值增加,K2值减少。Slade等人[75]对缝合和编织织物进行了类似的观察。相反,Endruweit等人[59]记录到,随着剪切角的增加,各种织物结构的两个主要透气性值普遍降低进一步的实验和数值研究均反映出渗透率随剪切变形增加而降低的类似趋势【10,64,70,76】。3.2. 流动模拟这些方法通过仅模拟树脂相,忽略任何空气的存在,并在时域中使用显式积分来解决小的连续稳态流动问题,从而简化了灌注问题流分析网络法,这是概述了[83]90年代末提出的CVFE方法是CVFE方法的代表。使用这种方法,域被离散成单元和节点,每个节点分配有独立的控制体积,如图4所示。入口和流动前沿之间的压力梯度是使用有限元法确定的,基于达西定律和不可压缩牛顿流体的质量连续性方程。然后计算速度场以及与流动前沿相邻的每个控制体积的填充时间。然后,填充这些单元中的一个的最短时间被用作下一个增量的时间步长,这确保流动前沿前进至少一个控制体积。其他相邻的单元格则被这种方法是有效和稳定的,即使是粗网格,因为只有一个微分方程必须解决[84]。然而,由于每个时间增量仅旨在填充一个单元格,因此具有大量控制体积的模拟求解起来可能很慢。Repubchke和Advani[80]使用早期的CVFE模型来建模通过纤维预成型材料的二维、等温、各向异性流动,其他研究人员也在效仿[82]。如Park和Kang[85]所述,还使用浮动虚拟节点和元素的方法实现了流动前沿的平滑。此外,Šimáek和Advani[49]能够使用特拉华大学开发的液体注射成型模拟软件,包括3.2.2. 液体体积法VOF方法[86]基于较旧的标记单元方法[82],该方法模拟一组拉格朗日标记粒子移动通过计算欧拉网格。这些方法是理想的多相流的模拟,其中两个或多个流体相存在,但不能占据相同的体积。在VOF模拟的每个控制体积中,所有相的体积分数将总和为1,并且对所有流体相采用单组控制方程。连续性、体积分数和动量的控制方程见方程:(2)、(3)和(4)。通过多孔介质的流动通常使用Navier-Stokes方程和达西定律(方程1)的一般形式进行建模(1)),包括平流和扩散项。工业中使用的大多数流动模型依赖于对预制件域的均匀的、基于连续的近似,并且在可能的情况下忽略贯穿厚度效应、饱和、压实和热传递。早期的方法,如边界元法表现出质量守恒的问题,而替代拉格朗日有限差分法仅限于简单的几何形状[77]。许多纯有限元方法也随着日益复杂而发展,最终用于解释热交换、压实和全三维流动[78]。另外,“水平集”方法已经显示出有希望的二维结果[79],但尚未看到对更具挑战性的然而,最流行的输注建模方法往往是控制体积/有限元(CVFE)和流体体积(VOF)方法的变体。3.2.1.控制体积/有限元法CVFE方法通常用于灌注建模,因为它们对于一系列情况[49,80-83]相对有效且准确,并且能够考虑合并流和可变预成型tu0年 V u0阿勒特f,iif,i我uuupuuTgSK见图4。CVFE方法中的流动推进。(二)(三)(四)602R.S. Pierce,B.G.Falzon/工程3(2017)596其中u是速度矢量,p是压力,t是时间,g是引力常数。相平均密度ρ和相平均粘度μ进一步由等式2定义(5)和(6)。这里,Vf是相体积分数,下标i、r和a分别与第i个树脂相和空气相相关可对预成型件饱和度和最终部件性能产生显著影响[95]。最近的工作研究了使用无量纲的“修正毛细管数”,根据粘性力和表面张力的比值,预测树脂流动前沿的空隙形成、气泡压缩和运输[54]。Vf,rr1Vf,r aVf,rr1Vf,r a(五)(六)4. 过程建模树脂灌注制造的完全模拟是有挑战性的,因为它应该考虑到由方程式源项SK与多孔材料的流动阻力有关,并且反映了来自等式(7)的达西(一).S 宾馆(7)KK由于该方法同时求解偏微分方程组,因此如果没有仔细建立网格和时间离散化,然而,VOF方法在模拟渗透率特征存在显著差异的区域(例如,使用CVFE方法无法求解的明渠)时非常有效[84]。3.3.其他考虑除了影响树脂流动行为的基本建模因素(渗透率、压力、粘度和入口/出口位置)之外,还有许多改进流动建模的进一步考虑因素。由于织物增强材料的性质固有地可变,并且容易受到处理和切割的影响,因此已经开发了可以预测和解释可能的流动扰动的概率工具[87]。考虑到边缘或接头处的赛道跟踪效应会显著影响流动行为,因此任何给定的注入策略都必须能够容忍它们的发生,这一点尤为重要被动控制,如额外的出口,这是封闭的树脂填充过去,和流动增强材料,这是常见的真空辅助树脂灌注过程,也进行了研究。当建模时,被动控制可以显著增加灌注策略优化的复杂性;因此,先进的算法已被用于更好地预测流动增强介质的最佳形状和位置[88]。当存在大量变量时,用于优化入口和出口位置的穷举因此,更复杂的方法,如使用质心Voronoi图[89],已被证明可以大大减少有效优化所需的模拟迭代次数。还研究了主动流量控制措施,例如,在部件的不同入口位置使用活压或流速控制[90]。然而,很明显,这样的测量进一步使预测建模复杂化,因为必须考虑附加传感器和可变流量入口厚度效应、工具压实和空隙形成都可能是输液过程中的重要问题。对于许多薄的复合材料部件,通常忽略厚度效应和工具压实。然而,对于较厚的铺层,三维流动和工具压实的准确工具压实对于依赖柔性工具的工艺尤其重要,柔性工具会因树脂渗透而在增加的内部模具压力下变形[91,92]。例如,研究了浸渍过程中干和湿压实对短切纤维网加固的影响,并使用一维Galerkin有限元法进行了模拟[93]。压实行为的细观力学模型也报告了与实验测试的良好一致性[94]。空隙的形成和运输在输注过程中是常见的,预成型件、树脂通过变形材料的流动,甚至在某些情况下的固化行为。这是进一步复杂的变形相关的渗透性性能,饱和度,和空隙的创建。此外,对于采用柔性工具的工艺由于这些挑战,创建一个模型非常困难可以解释所有必要的影响然而,研究人员正在开始开发可以解释这些多学科影响的模型。这种模型可以导致相当大的改进,传统的模拟,认为形成和注入作为完全独立的过程。Lomov等人提出了一个可以预测整个制造过程和最终零件性能的“集成设计工具”的概念[11]和Verleye等人。[12]15年以上最近的工作考虑了织物变形对灌注行为的影响,并考虑了饱和效应[96,97]。然而,这种过程建模工作直到最近才看到全面的实验验证[98],如本文以下部分所强调的。5. 一个多物理场过程模型建立了一个多物理过程模型,该模型能更真实地预测真空辅助树脂熔融过程中织物的变形和树脂的流动。该过程模型集成了一系列表征测试和数值模型,如图所示。[98]为了实现这一目标。该模型的基础是连续悬垂模型,该模型首次在ABAQUS®中用于预测织物变形。然后,该模型的结果被传递到ANSYS Fluent®灌注模型,用于预测通过变形增强材料的树脂流动。悬垂模型的准确性依赖于织物拉伸和剪切特性的表征,尽管还需要变形相关的渗透性特性,结合悬垂结果,图五、多物理过程模型的工作原理[98]。自定义项:自定义函数。R.S. Pierce,B.G.Falzon/工程3(2017)596603来 支 持 输 液 模 型 。 一 个 显 式 的 用 户 定 义 的 子 例 程 ( 例 如 ,ABAQUS/Explicit®中的VUMAT子程序)定义悬垂材料模型并结合材料属性,以便真实地跟踪非正交纱线旋转。类似地,用户定义函数(UDF)子例程用于在ANSYS Fluent®流动模型中跨输注域分配可变该多物理过程模型的完整细节可参见文献[98];然而,以下章节强调了其针对全规模实验成型和灌注试验的新应用和验证5.1. 全尺寸试验为了验证多物理场过程模型的有效性文献[33,40]中充分记录了成形研究中常见的复杂几何形状。阳模工具由结构泡沫制成,有涂层,并凹进950 mm × 550 mm外部框架120 mm深。与直接在模具顶部上方的基本装袋方法相比,与双圆顶工具相同高度的外部框架可实现更好的袋贴合性,并防止起皱将单层干燥平纹编织碳纤维材料切割成800 mm × 500 mm,纱线取向为0°/90°或-45°/45°。然后用50 mm银网格标记,以支持整个成型和灌注阶段的光学测量将预成型件材料放置在模具上并置于真空袋下,连同三个真空口和一些真空口。5.2. 悬垂模型在ABAQUS/Ex-plicit ®中采用基于连续体的悬垂模型,用于典型的双圆顶部件,类似于Khan等人的工作。[33] 和Peng和Mr. Wenman [40]。一个单一的织物层被表示为一个连续的膜元件片,而一个定制的VUMAT材料子程序提供了hypoelastic材料模型。该子程序设计用于在整个成形过程中跟踪真实的非正交纱线取向,并根据实验表征的拉伸和剪切性能(E和G12)计算材料响应。该子程序的开发和实现在文献[99]中有很好的记录。在本说明书中,忽略了弯曲效应。根据标准ASTM D5035-11[19],由单轴条带测试确定织物拉伸性能,所述单轴条带测试用于具有3 K丝束和1000 μ m面密度的干碳平纹织物。0.193 kg·m−2。记录了近线性弹性响应,导致拉伸模量E为15 GPa。偏置拉伸测试进行了平纹织物的剪切行为的特征,使用DIC增强应变测量。该测试的全部细节已被公开[100]。发现指数函数最适合高度非线性的剪切响应。因此,Eq。(8)用于描述织物的剪切模量,G12,从而捕获在低剪切角下纱线旋转的相对自由度和显著的剪切锁定行为。额外的分配介质(图[98]。袋子密封在框架边缘和中心真空端口连接到G12 1.0561011e23.69MPa(八)真空泵开始成型过程。一旦袋和织物材料被拉到模具的底部,将模具长端处的次级真空端口连接到真空泵,并封闭中心端口彻底检查袋和织物增强材料的一致性,以纠正工具凹部区域的任何桥接对于输注,然后将中心端口连接到储油器并打开以启动流体流动。使用橄榄油作为代表性试验流体,因为其标准室温粘度为0.084Pa·s,与典型灌注树脂粘度(0.001 Pa·s至0.3 Pa·s)一致[8]。在测试过程中,定期拍摄多张图像以记录通过每个样品的流动行为全尺寸示范实验的成型和灌注阶段在图中直观地描述。 六、图六、两阶段实验过程[98]。(a)成型;(b)灌注。其中e是欧拉可变形织物片以四分之一对称建模,具有大约1000个M3D4 R元件,对于0°/90°和90°,厚度均为0.4mm。-45°/45°病例。首先将织物片固定在刚性坯料保持器和双圆顶模具之间的适当位置,然后使用匹配的刚性冲头来形成材料。所有刚性部件均使用R3D3元素的略微精细网格进行根据与一般实践一致的参数研究[33,39,40],摩擦的整体接触条件设定为0.15。由于ABAQUS®悬垂模型的结果与ANSYS Fluent®模型的结果不兼容,因此使用Python脚本自动生成两个兼容的独立文件,分别包含5.3. 输注模型由于该模型演示侧重于变形相关渗透性行为的重要性,因此假设了等温条件,而饱和和压实效应在很大程度上被忽略。为确保灵活性和可靠性,输注模型使用了ANSYS Fluent®,基本上采用了欧拉VOF方法。因此,在灌注期间,树脂相和空气相作为互穿连续体在整个域中追踪。为了支持渗透模型,使用非饱和径向流实验对织物剪切变形范围(0°-40°)进行渗透性测试。实验方法和渗透率计算的全部细节可以在以前的工作中找到[101]。结果表明,随着剪切角的增大,K1值增大,K2值减小,因此,K1增大和K2减小的综合效应直接导致了各向异性的增大。但由于渗透性试验是在刚性板间进行的,而全尺寸试验是在袋装膜下进行的,因此需要进一步的标定。恒定校准因子为0.667和0.5,604R.S. Pierce,B.G.Falzon/工程3(2017)5962适用于K1值和K2值,分别在整个范围内的剪切角和所有的建模工作与不同的材料取向,根据实验观察。用于注入建模的多项式渗透率曲线由方程定义。(9)和(10)中所示。主渗透率方向,φ,模拟使用方程。(11)并且在较高的剪切角下从与纬纱方向的初始对准转变为与织物偏置方向的对准。K0.6676.641 4 13.283 8.4142 2.45.4. 结果5.4.1. 悬垂平纹编织材料形成良好的模具,用于在每个方向上对不同样品进行重复测试,没有任何斜纹的迹象。 在每个测试的四个象限中观察到良好的对称性,仅在样品边缘处有轻微磨损(图1)。 8)[98]。对每个测试的四个象限中的每个象限的网格点位置取平均值,并与模拟覆盖结果进行比较1粤ICP备16016888号-1K0.57.7414.6639.26121.605粤ICP备05011550号-1 (九)(十)预测的网格位置,随后发现有小于2%的误差,从平均实
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