復合材料RTM成型工藝仿真技術的應用

F-35的機身蒙皮大量采用復合材料,加工過程中都實用了RTM制造工藝。-1

空客A350飛機機翼復合材料部件加工過程。

F-35的機身蒙皮大量采用復合材料,加工過程中都使用了RTM制造工藝。
高性能復合材料以其獨特優異的性能在軍用、民用領域得到快速應用和發展。液體模塑成型工藝(LCM)作為一種高性能、整體成型、低成本、高精度的復合材料制造技術,起源于上世紀末美國實施的低成本復合材料計劃(CAI計劃)。如今,LCM已經廣泛應用于航空、航天領域。LCM工藝中樹脂傳遞模塑RTM與真空輔助樹脂注射VARI應用廣,這兩種成型復合材料的方法在美國四代機F-22和F-35等機型上已經大量應用;空客A380的肋、梁、機身框和懸掛接頭等細長結構、形狀復雜的部件均采用了低成本RTM工藝制造。
復合材料LCM工藝作為航空復合材料制件整體化、低成本化重要制造技術已經成為國內航空、航天復合材料制造的應用和研究重點。自2014年起,洪都公司相繼開展L15飛機減速板、前邊條、艙門等部件的LCM應用研究,目前借助科研院校和材料供應商的技術支持,已經取得了良好效果。
樹脂傳遞模塑RTM是一種低壓、密閉容器(模具)制造的復合材料生產方法,先將纖維(增強材料)放置于模具中,密閉之后以低壓注入樹脂,等樹脂反應化后,打開模具完成產品制造。樹脂傳遞模塑RTM工藝包括真空輔助樹脂注入、樹脂傳遞模塑、真空輔助樹脂傳遞模塑、壓縮RTM等環節,它提供了一種簡單低成本的方式制造連續纖維增強的高分子復合材料,非常適用于形狀復雜的大型結構件,而且能生產出雙面光滑,具有良好表面品質的高精度的復雜構件。
在航空復合材料RTM構件的開發中,由于其工藝的特殊性,需要對模具、工藝參數、工藝過程實施等進行科學的設計,否則在制造中容易產生脫粘、分層、夾雜、氣孔、疏松等缺陷,使得構件不能達到其使用性能。如何在較低的成本和周期下設計出既能滿足生產工藝需要,又能保證產品質量要求的RTM工藝方案,一直是LCM復合材料業界積極討論的熱點之一。傳統的方法是評鑒經驗進行試制、改進,不僅耗時耗力,而且難以保證產品質量。在工藝設計階段,采用數字化技術進行工藝仿真模擬,可以協助選擇佳的RTM工藝參數,選擇膠口位置,預測缺陷等,從而提高工藝設計效率、模具開發效率,降低生產成本和提高產品質量,現已經成為航空制造企業實現先進航空復合材料構件開發的關鍵技術之一。
為了實現洪都公司航空復合材料構件的新品開發,推廣RTM工藝仿真設計技術在企業內的應用,以及保障航空復合材料構件的質量。洪都公司航空制造工藝仿真工程中心(以下簡稱“工程中心”)與外部企業展開合作,成立項目團隊,開展RTM工藝模擬仿真研究及應用工作。利用外部企業的復合材料虛擬實現分析軟件平臺,借助洪都公司新品開發需求,開展相關研究工作。目前,RTM復合材料工藝仿真已經在洪都公司新型號研發中得到成功應用。利用仿真技術研制出了約1.7m長的機身邊條密肋復合材料結構件和全長約1.4m變截面曲面梁復合材料結構件。應用該技術的大亮點是洪都公司次借助數字化仿真技術實現復合材料RTM工藝設計和模具設計,進而完成產品研制。研究者采用PAM-RTM軟件對擬定的樹脂注射方案進行工藝仿真,確定了適合航空復合材料結構件佳的注射工藝,及成形工藝參數,并利用PAM-DISTORTION軟件平臺對構件的固化變形進行了預測仿真。
復合材料RTM工藝仿真可以對工藝設計提供關鍵數據,其中包括:模具結構設計(注射點設置要素)、模具材料(金屬)選擇、樹脂填充溫度(加熱樹脂至適合填充的粘度)、樹脂注射壓力、樹脂注射關閉時間(填充滿時間)、固化時間、固化溫度等。并且可以對現有工藝產生的零件缺陷或質量問題進行模擬分析,找出工藝設計的關鍵錯誤點。要較好實現RTM復合材料成型工藝數字化設計和復合材料制件虛擬試驗,必須利用目前復合材料設計/制造的數字化傳遞平臺,以及工藝設計信息化管理模式。洪都公司正致力于后期的復合材料RTM工藝仿真技術應用推廣,結合洪都公司信息化發展趨勢,制定出適合航空復合材料構件研發的應用途徑,并制定了下一步突破的技術途徑:
1、建立復合材料RTM材料性能數據庫,以設計選材為依據,從供應商獲取復合材料RTM材料數據,其中包括纖維增強材料、樹脂、定型樹脂的物理性能與化學性能。
2、通過利用PAM-RTM軟件計算分析應用,建立工藝仿真知識數據庫,包括擴典型RTM仿真模型庫、制件模型庫、案例模型庫、分析模型庫以及分析結果庫。其主要目的是建立仿真經驗知識,提高仿真準確性。
3、建立基于仿真分析的工藝設計管理,對工藝設計、工藝分析進行數據綜合管理,實現生產部門針對產品的工藝方法選擇。
隨著科研成果的技術沉淀和工程中心幾年來的發展,洪都公司具備了復合材料RTM工藝仿真應用能力。為進一步加快航空復合材料構件的研發能力,以及推動RTM工藝設計水平的提升,促進企業復合材料設計、制造技術從“經驗型”向“科學型”的快速轉變,洪都公司正在建立一個更為穩定的復合材料RTM工藝仿真軟件使用環境,制定相應的復合材料RTM工藝仿真技術應用的企業標準,嵌入到RTM工藝設計流程,進行有效的積累和管理,以形成技術應用能力,滿足各型號研制中新型復合材料RTM零件制造的要求。
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