多層編織布氣泡形成機理――刻度線斷面模型分析 zund G3 XL-1600-皮鞋台中雕刻裁切加工 @ 李俊宏焦點新聞熱搜

多層編織布氣泡形成機理

　　針對國內外研究人員多從工藝參數如注射壓力、注射速度以及注射溫度等方面對RTM工藝中缺陷形成和消除進行了探討，本章將從預成型體設計的角度來探討氣泡形成與消除機理。
　　RTM成型工藝的預型體材料多為短切氈和編織布(編織氈)，對于有著較高強度要求的結構多采用編織布。強度要球較高，對預型體所用材料的設計和工藝要求也就高，因此選擇編織布作為研究對象來探討氣泡形成和消除機理更加具有實際意義。
　　常見編織布的結構類型如圖3-1所示，其中組成結構的方式有三種可以變化的因素：1. 縱橫纖維可以有不同類型的纖維束組成，如圖3-1中的(a)縱橫纖維分別為玻璃纖維和玻璃纖維，(b)為芳綸纖維和玻璃纖維，(c)為碳纖維和玻璃纖維：2.縱橫纖維束寬度的可變化因素；3.纖維束編織方式的不同，如圖3-1中的(a)(b)(c)為起伏編織方式，(d)(e)為雙軸向編織方式。
　　所有這些可變化因素電說明了編織布有更好的可設計性，可以依據實際的相關性能要求做出不同的設計選擇，這也是本文在選擇研究對象時所側重的原因之一。

　　所有的結構類型可以認為其中具有兩個不同滲透特性的子區域：一個是由相互交織的纖維束組成，另一個是纖維束之間的通道。對于多層疊加的斷面形式，存在兩種情況，如圖3-2所示的模型上，分別從縱向纖維束間的通道即a刻度線位置截取和從縱向纖維束上即b刻度線位置截取。

　　編織布縱向纖維束間的通道因其滲透特性，在充模過程中樹脂流動超前。特別是對于縱橫纖維束寬度相等或相近時，通道的影響非常明顯，如圖3-1中的(a)(d)(e)。從圖3-1中的(b)(c)中可以看出，當橫向纖維束寬度要遠小于縱向纖維束寬度時，由于織物結構形成的因素，縱向纖維束間的通道雖然存在，但影響因素相對較小。因此，首先對圖3-1中所有結構共有的即從刻度b取的斷面進行分析。

1　b刻度線斷面模型分析

　　1.1　多層疊加模型
　　在通常情況下，纖維束的寬度和厚度之比大約為5或者更大，因此波浪形狀的纖維束被近似有分段線形的纖維束組成。對于圖3-1中的(a)(b)(c)三種編織方式，單層結構圖可以簡化如圖3-2的(a)，對于圖3-1中的(d)(e)兩種編織方式，單層結構圖可以簡化如圖3-2的(b)。

　　當多層編織布被上下疊加在一起的時候，由于層與層之間的錯位和滑移(只考慮沿縱向纖維方向)，有2種典型的疊加模式存在，一種是上下層之間沒有發生錯位，一種是上下層之間分別錯位個纖維束間通道的寬度，對于單層如圖3-2(a)的結構疊加模式，如圖3-3所示。

　　對于如圖3-2的(b)兩種雙軸向編織方式，疊加形式可以簡化為如下圖3-4所示，上下層之間分別錯位一個纖維束間通道的寬度，疊加模式并沒有變化。而對于編織布陰陽面的另一種疊加方式，其類型沒有發生變化，變化的只是縱橫纖維束的厚度因素。

　　由于預型件壓實后纖維束的厚度較小，因此對起伏的單層和疊加模式做了進一步的簡化，簡化可能使分析的結果和實際流動稍有差異，但不會改變其流動的本質。

　　1.2　基本單元分析

　　對所有疊加模式進行分析，取一個基本單元進行分析，基本單元模型如圖3-5，L為纖維束間通道寬度，S為纖維束寬度，h為纖維束高度。這一簡化結構也被許多研究者應用來推導多層編織布縱向斷面內流動的滲透系數模型。

　　當樹脂自左向右流過這個基本單元時，有兩條主要的路徑。條是沿著纖維軸線流動，即路徑1，另一條為通道-橫向纖維束-通道，即路徑2。由于是多層疊加，因而在纖維束的結點和層與層的結點處，兩條路徑中的流動并不是絕對獨立的，而會產生一定的交錯。但樹脂在這兩條路徑中主流速度的大小別對氣泡是否會形成以及形成的大小起著決定性的作用。為簡化分析，暫時忽略這一影響，當注入壓力較高的時候，毛細管壓力的影響可以忽略不計。
　　分析路徑內中的樹脂流動，當路徑1中的樹脂流動前沿到達A點時，一方面它將繼續沿著纖維軸線向前流動，另一方面，由于纖維束間通道內很高的滲透性，它也會沿垂直方向流向B點。對于路徑2內的流動，樹脂將先后流過通道和纖維束，雖然開始由于纖維束間通道內較高的滲透性，其流動前沿超出通道l中的樹脂流動前沿，但由于纖維束的滲透系數一般大大小于纖維軸向滲透系數，可以預見氣泡是否形成主要取決于樹脂沿兩條流動路徑到達B點的時間。
　　對于路徑1內的流動可以近似為樹脂在一條平直的纖維束中的流動，樹脂達到A點所需的時間近似為：

　　其中，μ是流體的粘度，Kz是纖維束的軸向滲透系數，P_o和P_f分別是入口和流前的壓力。當樹脂沿路徑1到達A點后，一方面它將繼續沿著軸線向前流動，另一方面，由于纖維束間通道內很高的滲透性，它也會沿垂直方向流向B點。那么沿路徑1的流動到達B點總共所需的時間可以通過下面的分析得到。
　　對于如圖3-5給定的坐標系，取A與B之間的任意一點C(x_c，y)，當流前到達C點時，其垂直速度為：

　　其中：K_c是纖維束間通道的等效滲透系數，X_c=L+S，X_f是指當路徑1的流前沿垂直方向到達C點時，沿縱纖維束軸向向前流動所到達位置的坐標，其值為：

　　將式(3-3)代入式(3-2)，并在如下邊界條件下積分：

　　可以得到：

　　那么：

　　對于路徑2內的流動，樹脂將先后流過通道和纖維束。在一般情況下，纖維束的橫向滲透系數大大小于通道的等效滲透系數，路徑2內的流前到達B點所需要的時間近似地等于：

　　式中K_d為橫向滲透系數。
　　將式(3-5)和(3-6)相除，得到沿兩條路徑到達B點所需時間的比例為：

　　通常由于h/(L+S)是較小的，而K_c/K_z比較大，當等式(3-5)右邊的第二項對于項可以忽略時，樹脂經由通道1到達B點時間與由通道2到達B點的時間之比簡化為：

　　分析上式可知，當 /等于1時，兩條路徑中的流前同時到達B點，這樣就不會有氣泡形成。當/小于1時，說明路徑2中的流前到達B點所需的時間要更多些，也就是說當路徑1中的流前已經到達B點了，路徑2中的流前還沒有達到，這樣，在橫向纖維的末端，就會產生空氣的包容從而形成氣泡。假設縱向和橫向采用同一種纖維束時，其軸向和橫向滲透系數之比K_z/K_d大約在20左右，由此看來，為避免在多層編織布的此類斷面內形成氣泡，可以采用的方法就是增大L／S的比值，也就是擴大通道寬度或降低橫向纖維束的寬度。同時，等式(3-8)也說明，若要減少氣泡形成的數量和尺度，則縱向和橫向可以采用不同的纖維束，比如采用具有較大橫向滲透系數的纖維束作為橫向纖維，以此減小比例K_z／K_d，使得斷面內不同區域之間的樹脂滲透趨向一致。這也證明了如圖3-1中(b)(c)等結構形式設計的合理性和對材料進行設計的可行性。
　　通過對疊加模型的理論分析，建立了統一的基本單元模型。由此看來，對于多層編織布此類斷面，氣泡容易在橫向纖維束末端生成，其大小受纖維束間通道寬度、橫向纖維束寬度、縱自纖維束的軸向滲透系數和橫向纖維束的橫向滲透系數的影響。因而在理論上減少氣泡生成可能存在兩種方式：種就是降低縱向和橫向滲透系數比值，縱向和橫向可以采用不同的纖維束，第二種方式就是通過調整通道寬度和橫向纖維束寬度之比。下面采用可視化實驗來和數值模擬技術進行研究。

　　1.3　可視化實驗研究

　　1.3.1　實驗材料
　　樹脂：為金陵帝斯曼的P6-966KR不飽和聚酯樹脂。實驗主要目的為觀察樹脂流動狀態下氣泡形成機理，因此沒有添加引發體系。
　　增強材料：對應理論分析中的基本單元模型，選擇如圖3-1中(a)所示的起伏的方格編織布。玻璃纖維方格編織布：面密度為450 g/m²，常州宏發土木復合材料工程有限公司。
　　1.3.2　實驗裝置
　　實驗中所采用的設備為自制空氣壓力式注射裝置，如圖3-6所示：

　　試驗中采用的模具見圖3-7。

　　為便于觀察，采用的坡璃鋼陰模具有較高的透明度，如同3-8所示。采用透明度較高的玻璃鋼陰模是為了在模縣下方增加輔助光源時，可以更有效的觀察樹脂的流動。
　　整體實驗裝置如圖3-9，采用顯微攝像儀來進行觀察。實驗時模具放在可調節速度的機動平臺上，隨著充模過程的進行，通過調節平臺平移速度，可以使攝像區域始終保持在樹脂流動前沿的位置或者是實驗者所需要觀察的位置。顯微攝像儀器與電腦連接，通過軟件實時采集圖像。同時為了更清晰的觀察，在模具下面設計了輔助光源。

　　1.3.3　實驗結果及分析
　　為了便于顯像觀察，描下位于模腔中間附近的一根橫向纖維束位置，為位置A，以便進行選點觀察。已有研究結果表明，氣泡含量大區域通常為排氣口區域，同時描下排氣口附近的一根橫向纖維束，為位置B，以便與位置A進行比較。注入過程和相關尺寸如圖3-10，實際纖維束要密集，為說明方便采用了放大的模型圖片。在注入壓力P下，盡量保持樹脂平行向右流動。

　　觀察試驗中頂型體的斷面的結構，雖然有稍許滑移，但仍然可以認為是采用上下層之間沒有發生錯位的模式疊加而成。充模溫度為25℃，注入壓力為0.3MPa，鋪層數為5，分別選取A和B刻度上的兩個位置進行觀察，實驗結果如圖3-11所示。

　　從實驗結果中可以看出，氣泡在橫向纖維束靠近末端的位置形成，除去氣泡隨樹脂向前流動的因素，氣泡的形成與理論分析基本吻合。受實驗儀器顯微攝像儀觀測深度的約束，安驗并不能很好的給出氣泡形成的影響因素分析結果，下面采用數值模擬的方法來進行研究。

　　1.4　氣泡形成和影響因素的模擬分析

　　1.4.1　基本單元內樹脂流動模擬
　　由于不同子區域中的滲透系數相差很大，因而其中的流動比較復雜，因此利用控制體/有限元注編織的RTM充模軟件來對如圖3-5所示的基本單元內的充模過程進行模擬。模擬時，自先來用ANSYS5.7對流動區域進行有限元離散，不同子區域的單元被分別編號輸出，這樣就可以對其中的滲透系數分別定義。基本單元的子區域編號如圖3-12所不，A1、A2、A3分別表示縱向纖維束區域、纖維束間通道區域和橫向纖維束斷面區域。劃分有限元網格，共生成997個節點，1896個單元。

　　數值模擬時，左邊設置為注射口，右邊為排氣口。注射口和排氣口壓力分別定義為4×10⁵Pa和1×10⁵Pa，采用的流體是Silicone Oil，粘度依據Patel的實驗，取為0.1934Pa・s。纖維的體積分數和纖維半徑分別設為V_f=0.45和r_f=8×10^-6m，依據方程Carman-Kozeny，軸向和橫向內的滲透系數分別取2.64×10^-11m²和1.32×10^-12m²，即K_z/K_d=20。
　　在注射壓力下使樹脂平行向右流動，選取的4個典型時刻的樹脂流動前沿如圖3-13所示。

　　從充模過程的模擬圖片中可以看出，在開始階段，由于纖維束間通道的高滲透性，樹脂流動快，而當樹脂流動前沿到達橫向纖維束時，由于纖維橫向滲透系數比軸向滲透系數小，軸向纖維束內的樹脂流動逐漸超前，在到達下一個通道的時刻沿垂直方向流動，并包裹空氣形成氣泡。充模過程模擬與理論分析吻合。
　　1.4.2　滲透系數對氣泡尺寸的影響
　　依據理論分析的結果可知，K_z/K_d比值對氣泡的形成及尺寸起著決定性的作用。在基本單元中，保持通道寬度和橫向纖維束寬度小變，即單元模型固定，選取不同的K_z／K_d比值的條件下進行數值模擬來分析。數值模擬時除橫向單元的滲透系數變化外，其余條件都不改變，模擬結果統計如圖3-14所示。

　　由圖3-14可以看出，對于不同K_z／K_d的比值，形成的氣泡的大小不同，可以得出，隨著K_z／K_d比值的增大，氣泡也隨著增大，氣泡的大小與K_z／K_d的比值成正比關系。
　　1.4.3　纖維束寬度對氣泡尺寸的影響
　　假設K_z／K_d比值不變，即軸向單元和橫向單元內的滲透系數分別取2.64×10^-11m²和1.32×10^-12m²，在此條件下，采用數值模擬的方法來模擬基本單元中通道寬度和橫向纖維束寬度之比對氣泡尺寸的影響。
　　取L與S的4種不同比值情況下進行數值模擬，計算結果統計如圖3-15，從中可以看出，L／S比值與氣泡尺寸成反比，隨著L／S比值的增大，氣泡的尺寸隨著減小。

　　1.4.4　疊加模式對氣泡尺寸的影響
　　當考慮疊加模式對氣泡含量和大小的影響時，變化因素是基本單元內橫向纖維區域的高度發生改變。在軸向單元和橫向單元的滲透系數不改變的條件下，橫向纖維的區域高度與單層橫向纖維束高度的比值分別為1和2時的氣泡大小數值模擬結果分別如圖3-16(a)和(b)。

　　結果表明，在相同參數下，比值為1時單元內所形成的氣泡比比值為2時所形成的氣泡要小，與理論分析中的結果完全一致。結果說明圖3-3和圖3-4中的疊加模式(I)比疊加模式(II)更優越。

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