[发明专利]树脂基复合材料等厚层板成型中树脂流动与纤维密实的模拟方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种热压成型的模拟方法，具体地说，是指一种适用于树脂基复合材料等厚层板在热压成型中树脂流动与纤维密实的模拟方法，是通过计算机、树脂基复合材料热压成型模拟单元实现的，采用本发明方法，可以在脱离实际生产线的条件下，预测层板质量、评价成型工艺，指导树脂基复合材料等厚层板热压成型工业化作业。

背景技术：

热压成型一直是航空航天领域生产主承力结构先进树脂基复合材料制件最重要的工艺方法，然而高昂的制造成本严重制约了它的发展和应用。除了设备投资高、能耗大、成型周期长、劳动量大等原因外，其成型工艺参数设定不合理造成废品率高是热压工艺成本居高不下的另一重要原因。

热压成型的工艺参数包括有温度-时间的关系、压力-时间的关系。工艺参数是决定制件质量的关键因素，同时影响着生产成本的高低。树脂基复合材料热压成型过程是一个非常复杂的过程，要发生一系列物理、化学变化和化学-物理的耦合变化。包括热传导、树脂体系的流动和固化、纤维的密实以及气泡的生长和运动，它们一方面决定着最终制件性能，反映工艺参数的合理性；另一方面又受到原材料特性和制件形状的影响。成型过程的复杂性使得制定最佳的工艺条件成为一件很困难的工作。

目前，在实际生产中更多的是靠经验和大量试验来制定工艺参数，即试错法，这种方法优选出的工艺参数适用性很差，即使原材料不变而只改变制件的几何结构，也要重新摸索新的工艺规范，这无疑导致了研制周期长、废品率高以及可靠性低等问题。另一种是将专家系统和传感器监测技术相结合，通过设置在固化体系内的传感器实时采集温度、压力等被加工材料的信息并反馈给计算机内的实时监控系统，所述实时监控系统是根据一定的原则对工艺参数进行及时地调整，从而对成型过程进行有效控制，称为在线固化监控方法。该方法在一定程度上消除了经验法的盲目性，提高了制件质量稳定性，但是传感器一般会留在制件内部从而影响其性能，而且许多传感器和监测设备的价格昂贵，使得这种方法难以迅速推广。此外，专家系统在线监控的质量取决于其原则的完善程度，而对于复杂的情况，制定合理的原则是十分困难的。

随着数控系统的智能化提高，建立成型过程数学模型，采用计算机及数值技术，在脱离生产线的情况下，预测制件成型质量、评价成型工艺，是目前实现树脂基复合材料低成本、高品质制造的较佳途径之一。

发明内容：

本发明的目的是提出一种等厚层板在热压成型中树脂流动与纤维密实的数字化模拟方法，是一种适用于树脂基复合材料制件热压成型过程的模拟方法，该RFFC方法以APCPS单元为基础，通过树脂流动与纤维密实关系式G₁和纤维承载压力与纤维体积分数关系式G₂可以模拟出纤维承载压力P_f、树脂承载压力P_r、纤维体积分数V_f在层板内的分布以及随时间的变化，获得层板厚度h和平均纤维体积分数，从而指导工艺参数合理制定，为树脂基复合材料等厚层板在热压成型工业化生产提供数控信息。

本发明是一种利用计算机模拟树脂基复合材料等厚层板在热压成型中树脂流动与纤维密实的数字化方法，该RFFC(Resin Flow Fiber Compaction)方法包括有制件构形与网格剖分单元1、成型工艺参数设置单元2、材料特性数据库单元3、树脂基复合材料热压成型模拟单元4、制件质量预测单元5。所述层板质量预测单元5，在已知所述制件构形和初始设置参量F₁的条件下，通过拾取所述成型工艺参数设置单元2中的工艺参量F₂和所述材料特性数据库单元3中的材料参量F₃，并将初始设置参量F₁、工艺参量F₂和材料参量F₃在所述树脂基复合材料热压成型模拟单元4中处理，获得决定层板质量的参量，存储在制件质量预测单元5中。运用本发明RFFC方法能够模拟出纤维承载压力P_f、树脂承载压力P_r、纤维体积分数V_f在层板内的分布以及随时间的变化，获得等厚层板厚度h和平均纤维体积分数指导工艺参数的合理制定，为树脂基复合材料等厚层板热压成型工业化生产提供数控信息。

本发明树脂基复合材料等厚层板热压成型中树脂流动与纤维密实的数字化模拟方法(RFFC方法)具有如下优点：