CN113059826A - 一种复合材料构件中树脂流动分区控制方法 - Google Patents

一种复合材料构件中树脂流动分区控制方法 Download PDF

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Abstract

一种复合材料构件中树脂流动分区控制方法，其特征是根据复合材料中树脂压力分布将复合材料构件划分为多个树脂压力接近的区域，在区域边界上布置微流阀，限制不同区域之间树脂的互流，将构件中复杂的流动转变为多个区域内的独立流动，避免复合材料构件固化过程中树脂在压力差作用下大范围流动，以有效控制复杂型面的复合材料构件固化厚度。本发明解决了复杂型面的复合材料构件固化过程中树脂流动难以控制的问题，发明方法具有操作简单、控制效果好等优点。

Description

一种复合材料构件中树脂流动分区控制方法
技术领域
本发明涉及复合材料成型技术，尤其是复合材料成型过程中构件中树脂流动控制技术，具体地说是复合材料构件中树脂流动分区控制方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优异特性。经过近40年的发展，复合材料广泛应用于航空等领域，大大减轻飞机的结构重量，缩短制造周期，且从最初的应用于次承力构件发展到应用于机身隔框、机翼翼梁等大型主承力构件。
在实际生产中，尤其是针对复杂形状复合材料构件，普遍存在着固化厚度难以精确控制的问题。根本原因是：由于各位置曲率差异，当在复合材料表面施加均匀压力后，复合材料内会产生非均匀的树脂压力场，由于纤维间隙相互连通，造成非均匀的树脂分布，进而影响材料的性能。
针对复杂型面构件的制造，目前国内外主要有两种调整复合材料构件中树脂流动的方法。(1)非均匀吸胶法：通过大量工艺试验，根据构件固化后的厚度分布，在复合材料构件不同位置放置吸胶材料，在厚度偏厚的位置局部吸出树脂，该优化过程针对特定的构件进行试错试验，周期长，成本高。(2)压力补偿：在构件树脂压力较低的位置放置柔性垫块进行局部压力补偿，缓解大范围树脂流动。在固化过程中复合材料和垫块属性均会随温度发生显著变化，垫块补偿的压力难以匹配时变的树脂压力场，容易加剧树脂流动。目前，对于复杂型面的复合材料构件，尚无方法可以实现构件内树脂流动的控制。
发明人经过悉心实验和理论研究，提出复合材料构件中树脂流动分区控制方法。根据复合材料中树脂压力分布将构件划分为多个压力接近的区域，在区域边界上布置微流阀，限制不同区域之间树脂的互流，以有效控制复杂型面的复合材料构件固化厚度。
发明内容
本发明的目的是针对复合材料构件固化过程中树脂流动难以控制的问题，发明复合材料构件中树脂流动分区控制方法。
本发明的技术方案是：
复合材料构件中树脂流动分区控制方法，其特征在于：根据树脂压力分布将复合材料构件划分为多个树脂压力接近的区域，在区域边界上布置微流阀，限制不同区域之间树脂的互流，将构件中的流动转变为多个区域内的独立流动，避免复合材料构件固化过程中树脂在压力差作用下大范围流动，以有效控制复杂型面的复合材料构件固化厚度。传统思路通过调整压力场进行固化厚度的控制，而新思路避免对不均匀树脂压力场与树脂流动之间复杂关系的探究，通过直接控制树脂流动进行固化厚度的控制。
所述的将复合材料构件划分为多个树脂压力接近的区域即构件区域划分策略是：以构件内树脂压力分布的连续性作为第一分区准则，对构件型面进行初步区域划分，再以树脂压力阈值作为第二分区准则，进行第二次区域划分。
所述的第一分区准则是指：
复杂的型面往往由多个不同角度的曲面或平面通过圆弧连接而成，不同面之间曲率半径相差较大时，构件面内的树脂压力差异也相差较大，不同面之间通过低阶连续进行连接，理论上该位置的树脂压力会发生突变，以树脂压力分布的连续性作为第一分区准则，对型面进行初步区域划分。例如，L型构件，直边曲率半径无穷大，圆弧处曲率半径为毫米或者厘米级，两者之间通过切线连续进行连接，在连接处曲率半径发生突变，树脂压力也发生突变。
根据下式确定复合材料中树脂压力分布，树脂压力发生突变的位置作为第一分区边界。复合材料树脂压力
Figure BDA0003003972890000021
表示为：
Figure BDA0003003972890000022
其中，R为复合材料曲率半径，P为复合材料表面施加的压力，t为复合材料的厚度，kR为复合材料中树脂分压系数。在凸型位置，公式中±号取负，凹型位置，公式中±号取正。
所述的第二分区准则是指：
根据式(1)绘制不同厚度下树脂压力与曲率半径之间的关系曲线，当厚度相同时，曲率半径越小，曲率半径对树脂压力的影响越显著。对于凹型复合材料，当曲率半径小于某一临界值时，树脂压力随曲率半径的减小而急剧减小，当曲率半径大于该临界值时，曲率半径引起的压力损失较小。例如：若以0.04MPa树脂压力损失作为阈值，对于厚度为2mm，4mm和6mm的复合材料凹型位置，曲率半径阈值分别为27mm，58mm和80mm，对于厚度为2mm，4mm和6mm的复合材料凸型位置，曲率半径阈值分别为35mm，65mm和110mm。
以树脂压力阈值作为第二分区准则，对依据第一分区准则划分的区域进行第二次划分。
在区域边界上布置微流阀，限制不同区域之间树脂的互流。本例中选用微流阀限制区域之间树脂的互流，也可以选用其他技术。微流阀特征在于：在复合材料表面或上方覆盖带孔的薄膜，对薄膜施加压力后，与薄膜孔接触的复合材料产生凹形结构，限制其周围树脂的互流。薄膜上开孔个数可以从一个增加至多个，形成多个微流阀，限制多个位置的树脂互流。
本发明方法通过分析构件树脂压力分布，依据第一和第二分区准则划分区域，采用微流阀技术限制区域之间树脂互流，在复合材料固化过程中，复合材料构件中的树脂流动转变为多个区域内的独立流动，避免树脂在非均匀树脂压力下大范围流动而控制构件固化厚度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明建立了构件中树脂压力与曲率半径之间的定量关系，给出了区域划分准则，将复杂型面的复合材料构件划分为多个树脂压力接近的区域，实现对复合材料构件中树脂流动的分区控制。
(2)本发明提出在复合材料表面或上方放置一张带孔的薄膜，压力作用下复合材料中自动形成凹形结构，限制树脂互流，解决由于复合材料间隙相互连通难以限制树脂流动的问题。
(3)传统思路通过调整压力场进行固化厚度的控制，本发明避免了对不均匀树脂压力场与树脂流动之间复杂关系的探究，直接调控树脂流动进行固化厚度的控制，解决了复杂型面的复合材料构件固化厚度严重不均的难题。
附图说明
图1 0.6MPa均匀压力下L型复合材料构件和变曲率机翼前缘中树脂压力分布。
图2 0.6MPa均匀压力下复合材料树脂压力随曲率半径的变化曲线。
图3变截面飞机复合材料构件几何及曲率半径分布分析。
图4复合材料构件几何及区域划分结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示。
复合材料构件中树脂流动分区控制方法，根据复合材料中树脂压力分布和构件区域划分准则将复合材料构件划分为多个树脂压力接近的区域，在区域边界上布置微流阀，限制不同区域之间树脂的互流，将构件中复杂的流动转变为多个区域内的独立流动，实现对复合材料构件中树脂流动的分区控制。本发明的微流阀是通过在复合材料表面或上方覆盖带孔的薄膜来实现的，对薄膜施加压力后，与薄膜孔接触的复合材料产生凹形结构，引导复合材料区域中心的树脂向凹形结构流动，同时凹形结构限制其周围树脂的互流。
根据式(1)分析L型复合材料构件和变曲率的复合材料机翼前缘在0.6MPa均匀压力下的树脂压力分布，如图1所示。复合材料分为24层，模具侧为第1层，复合材料表面层为第24层。在L型构件圆弧处，复合材料表面层(24th)树脂压力传递至模具侧第1层时从0.6MPa衰减至几乎0MPa，产生了明显压力梯度。在直边处，树脂压力沿厚度方向等值传递，无压力梯度。然而，在直边和圆弧的连接点，树脂压力不连续，此处M1切线连续。对于变曲率的复合材料机翼前缘，在型面M1切线连续或M2曲率连续的四个位置出现树脂压力不连续。在树脂压力分布不连续的位置两侧，树脂压力也相差较大，因此，以树脂压力分布的连续性作为第一准则划分区域。
复合材料在纤维承压点之前由树脂承担所有外部压力，此处取kR＝1，分别在厚度为2mm，4mm和6mm的复合材料表面施加0.6MPa压力后，根据发明内容中的式(1)，树脂压力随曲率半径的变化曲线如图2所示。在凹型位置，当曲率半径相同时，复合材料厚度越大，厚度方向的压力衰减越大。当厚度相同时，曲率半径越小，曲率半径对树脂压力的影响越显著，当曲率半径小于某一阈值时，树脂压力随曲率半径的减小而急剧减小。若以0.04MPa树脂压力损失作为阈值，对于厚度为2mm，4mm和6mm的复合材料，曲率半径阈值分别为27mm，58mm和80mm。在凸型位置，对于厚度为2mm，4mm和6mm的复合材料构件，曲率半径阈值分别为35mm，65mm和110mm。
进一步，根据式(1)构件局部位置树脂压力与曲率半径之间的定量关系，确定树脂压力阈值，据此作为第二分区准则再次划分区域。
实例一。
以典型的变截面飞机复合材料构件为例说明本发明实施方案。构件长度738mm，高度20mm，厚度2mm，截面宽度随长度从192mm减小为5mm，如图3所示。通过对构件进行树脂压力分布分析，根据第一分区准则，该构件总共划分为5个区域：2个圆弧区域和3个平面区域。根据第二分区准则，树脂压力阈值对应的曲率半径为27mm，两个圆弧曲率半径3.8mm均低于27mm，无需对已经划分的区域再次划分，该构件最终划分结果为5个区域。
在5个区域的边界位置布置微流阀，限制不同区域之间树脂的互流。薄膜上开两排微孔直径3mm，间隙1mm，位置为区域边界，采用二氧化碳激光雕刻机在薄膜上开孔。复合材料预浸料按照设计的铺层顺序铺叠于模具表面，将开孔的薄膜、脱模布、无孔隔离膜依次放置于复合材料构件表面，在构件边缘放置挡胶条，封装真空袋，预抽真空15min后，在热压罐中固化。固化压力为0.6MPa，温度工艺为从室温以1℃/min升温至55℃，保温1h，然后以1.9℃/min升温至120℃，保温2h，最后自然冷却降温。固化后的零件多点测量厚度，厚度误差可以控制在±2％以内，满足高性能航空航天复合材料构件的最高误差标准±5％的要求。
实例二。
本实例与实例一的区别是复合材料构件型面中树脂压力连续，第一分区准则无效后，继续以第二分区准则对型面进行区域划分。构件型面如图4所示，复合材料厚度2mm，根据发明内容，若以0.04MPa树脂压力损失作为阈值，在凹型位置相应的曲率半径为27mm，在凸型位置相应的曲率半径为35mm，根据第二分区准则，该构件最终划分为9个区域，其余与实例一相同。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种复合材料构件中树脂流动分区控制方法，其特征在于：根据复合材料中树脂压力分布将复合材料构件划分为多个树脂压力接近的区域，在区域边界上布置微流阀，限制不同区域之间树脂的互流，分区域控制复合材料构件中树脂流动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构件区域划分策略是：以构件内树脂压力分布的连续性作为第一分区准则，对构件型面进行初步区域划分，再以树脂压力阈值作为第二分区准则，进行第二次区域划分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的第一分区准则是：根据(1)式确定复合材料中树脂压力分布，树脂压力发生突变的位置作为第一分区边界。复合材料树脂压力
Figure FDA0003003972880000011
表示为：
Figure FDA0003003972880000012
其中，R为复合材料曲率半径，P为复合材料表面施加的压力，t为复合材料的厚度，kR为复合材料中树脂分压系数。在凸型位置，公式中±号取负，凹型位置，公式中±号取正。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的第二分区准则是：根据式(1)确定复合材料树脂压力阈值，等于该阈值的位置作为第二分区边界。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的微流阀是：在复合材料表面或上方覆盖带孔的薄膜，对薄膜施加压力后，与薄膜孔接触的复合材料产生凹形结构，限制树脂互流；薄膜上开孔个数可以从一个增加至多个，限制多个位置的树脂流动。
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