CN115081041B - 一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，包括建立纤维增强复合材料零件的数字孪生模型；获取模腔内压力分布数据，将其导入数字孪生模型构建仿真模塑环境，显示流动前沿位置；由压力数据结合渗透率、纤维材料的总孔隙度和树脂粘度计算流动前沿树脂流速；由实验归纳出的经验公式可得出使制品空隙率最低的树脂最优流速，通过流动前沿树脂流速与最优流速对比，判断是否充分浸渍；若不充分浸渍则进行工艺过程动态控制。本发明具有对树脂传递模塑过程进行实时监测和控制的效果，可以对实际工艺过程进行优化，减少空隙缺陷，降低复合材料零件的制造成本。

Description

一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法。
背景技术
纤维增强复合材料广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域，树脂传递模塑是其常用的制造工艺。其工艺过程是将纤维材料制成预成型体放置于模具中，注入树脂浸渍纤维预成型体，进行加热固化。由于工艺和纤维增强体结构的不确定性，会导致高昂的研发成本和较长的生产周期。目前多采用工艺仿真与工艺试验结合方式进行工艺设计。但该方法具有局限性：由于工艺仿真与实际工艺过程之间没有实时交互，制造过程中既定工艺方案不能动态更新响应，因此需要一种新的工艺控制方法。数字孪生技术通过建立物理过程的数字镜像模型，借助传感器收集过程数据，可以实现数字模型和物理过程的实时交互。目前数字孪生在工艺设计中的应用一般为工艺框架设计、加工过程设备数字孪生监测等，具体到复合材料成型技术领域，数字孪生技术主要应用于成型设备系统管控、结构损伤分析等方面，尚未应用于工艺控制。因此，将数字孪生技术引入复合材料成型技术领域，不失为一种对其成型工艺进行动态控制的好方法。
发明内容
本发明的目的是公开一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，对树脂传递模塑工艺过程进行实时监测和修正，提高效率、降低成本。
一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，包括以下步骤：
1）建立纤维增强复合材料零件的数字孪生模型；
所述数字孪生模型是基于纤维增强复合材料零件的实体几何尺寸，采用CAD画图法所构建的几何模型。
2）利用传感器采集模具内的压力分布数据，传输到数字孪生模型中构建仿真工作环境，并实时更新显示树脂流动前沿位置；
所述仿真工作环境是利用python技术抓取模具内实时压力分布数据，并利用python自带Matplotlib库实现可视化的虚拟工作环境；所述传感器为若干个压力传感器，用于采集模具容腔内的实时压力分布数据。
3）在所述数字孪生模型中计算流动前沿各点的树脂流速，并求出平均流速；
采用如下数学公式计算树脂流动前沿各点的流速：
Figure 773351DEST_PATH_IMAGE001
式中，v为流动前沿速度，∇P为压力梯度；μ为树脂粘度；[K]为渗透率；∅为纤维材料的总孔隙度。
4）在所述数字孪生模型中确定树脂流动前沿最优流速，并将最优流速与上述平均流速进行比较，判断是否充分浸渍；
所述最优流速由树脂渗流过程中宏观空隙率曲线方程和微观空隙率曲线方程相交得出；
宏观空隙率曲线方程如下：
Figure 209011DEST_PATH_IMAGE002
微观空隙率曲线方程如下：
Figure 980658DEST_PATH_IMAGE003
式中，VM为宏观空隙率，Vm为微观空隙率，v为流动前沿流速；
若流动前沿的树脂平均流速与最优流速相等，则充分浸渍；反之，则不充分浸渍。
5）基于上述充分浸渍判断结果，进行工艺优化控制；若不充分浸渍，则根据最优流速确定模具树脂入口注射速率，并反馈至树脂注射设备实时调整；若充分浸渍，则重复上述步骤2）、3）、4），直至树脂充满整个模具；
工艺优化控制过程采用动态控制策略，利用步骤（1）至（4）所形成的数字孪生体与模具进行实时数据滚动交换，确定模具树脂入口最优注射速率，实现对树脂传递模塑过程的动态最优控制。
综上，本发明方法创新性地引入了数字孪生技术，通过搭建与实际纤维增强复合材料零件完全一致的数字模型后，将实际工作环境中的模塑数据映射至仿真工作环境中，进行数据分析融合处理后据此动态更新数字模型，基于最新模型获得最优控制策略，实现动态管理控制实际纤维增强复合材料零件的树脂传递模塑过程。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
通过数字孪生体可对树脂传递模塑过程进行实时监测和控制，基于最优控制策略，对实际工艺过程进行优化，以减少成型零部件地空隙缺陷，降低复合材料零件制造成本。
附图说明
图1为本发明所述方法采用的装置结构示意图；
图2为本发明所述方法的总体架构框图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，包括以下步骤：
1）建立纤维增强复合材料薄壁件的数字孪生模型。利用CAD或Solidworks等绘图软件建立上述薄壁件的等比例几何模型，由于是薄壁件，可视为曲面，将几何模型转换为stl格式并利用python的stl库读取模型中的点、线、面信息，根据纤维排列方向添加纤维渗透率形成数字孪生模型；在数字孪生模型中，将纤维材料视为多孔介质，纤维渗透率由实验测得；同时，由于是薄壁件只需测量面内渗透率，无需测量厚度方向的渗透率，面内渗透率可通过对实际纤维增强复合材料进行平面径向流实验得出。
2）利用传感器采集模具内的压力分布数据，传输到数字孪生模型中构建仿真工作环境，并实时更新显示树脂流动前沿位置。在模具底面安装压力传感器，当树脂由注射罐经流量控制阀注入模具在上述零件内流动时，压力传感器采集模腔内压力分布数据并通过数据采集卡上传至python的Matplotlib库形成仿真工作环境，并通过计算机将树脂流动前沿位置可视化显示。由于是薄壁件，忽略厚度方向的差别，压力传感器测得的压力数据即可认为是树脂在该位置浸渍时的压力数据。
3）在所述数字孪生模型中计算流动前沿各点的树脂流速，并求出平均流速；模腔内初始压力为零，当某一位置压力发生突变时，说明树脂流动到该处，即流动前沿位置。前沿位置的树脂流速通过以下公式进行计算：
Figure 868980DEST_PATH_IMAGE001
式中，v为流动前沿速度，∇P为压力梯度；μ为树脂粘度；[K]为渗透率；∅为纤维材料的总孔隙度。根据达西定律，流体流经多孔介质时，流速与压力梯度成正比；由压力数据可得压力梯度，结合渗透率、树脂粘度和纤维材料总空隙度可计算出流动前沿各点的树脂流速，并将各点的树脂流速相加后计算平均值，可得流动前沿得平均流速。
4）在所述数字孪生模型中确定树脂流动前沿最优流速，并将最优流速与上述平均流速进行比较，判断是否充分浸渍；树脂传递模塑过程中存在一最优流速，大于该流速制品易形成微观空隙，小于则易形成宏观空隙。该最优流速可由实验归纳公式得出，所述公式为：
宏观空隙率曲线方程如下：
Figure 751485DEST_PATH_IMAGE002
微观空隙率曲线方程如下：
Figure 103969DEST_PATH_IMAGE003
式中，VM为宏观空隙率，Vm为微观空隙率，v为流动前沿流速。
宏观空隙率曲线和微观空隙率曲线相交处即为最优流速。将流动前沿上树脂的平均流速与最优流速进行对比，若平均流速与最优流速相等，则充分浸渍；反之，则不充分浸渍。
5）基于上述充分浸渍判断结果，进行工艺优化控制；调整的依据是流动过程的质量守恒，即流动前沿的树脂流量等于注射口的树脂流量。若不充分浸渍，则由最优流速确定模具树脂入口处注射速率，并反馈给注射罐子底部的流量控制阀，调整注射速率为优化注射速率；若充分浸渍，则继续获取下一时刻压力数据，更新流动前沿位置，直至树脂充满模具。
以下给出具体控制实例，对本发明进一步解释说明。
树脂：不饱和聚酯树脂
纤维材料：玻璃纤维单向布
当前注射速率为v 注，注射口横截面积为A注。
由步骤3）计算出的当前流动前沿各点流速为v1，v2，…,vn，求出平均流速为
Figure 46517DEST_PATH_IMAGE004
，由于数字模型基于stl文件，曲面由多个三角面元组成，由python获得流动前沿各点所处三角面元的边长l i(i=1,2,…,n)，相应各点对应的横截面积Si=l id,其中d为薄壁件厚度。
此时流动前沿的流量为
Figure 419205DEST_PATH_IMAGE005
；
根据质量守恒，注射口的流量等于流动前沿流量Q注=Q前，
即
Figure 839823DEST_PATH_IMAGE006
；
由步骤(4)确定最优流速：v优=0.00186m/s，
当流动前沿平均流速不等于最优流速时，调整注射速率如下：
Figure 312392DEST_PATH_IMAGE007
继续获取下一时刻压力数据，更新流动前沿位置，重复上述过程，直至树脂充满模具。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）建立纤维增强复合材料零件的数字孪生模型；
2）利用传感器采集模具内的压力分布数据，传输到数字孪生模型中构建仿真工作环境，并实时更新显示树脂流动前沿位置；
3）在所述数字孪生模型中计算树脂流动前沿各点的流速，并求出平均流速；
4）在所述数字孪生模型中确定树脂流动前沿最优流速，并将最优流速与上述平均流速进行比较，判断是否充分浸渍；
所述最优流速由树脂渗流过程中宏观空隙率曲线方程和微观空隙率曲线方程相交得出；
宏观空隙率曲线方程如下：
Figure QLYQS_1
微观空隙率曲线方程如下：
Figure QLYQS_2
式中，VM为宏观空隙率，Vm为微观空隙率，v为流动前沿流速；
充分浸渍的判定依据为将流动前沿的树脂平均流速与最优流速对比，当流速相等时视为充分浸渍，否则视为不充分浸渍；
5）基于上述充分浸渍判断结果，进行工艺优化控制；若不充分浸渍，则根据最优流速确定模具树脂入口注射速率，并反馈至树脂注射设备实时调整；若充分浸渍，则重复上述步骤2）、3）、4），直至树脂充满整个模具。
2.根据权利要求1所述一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，其特征在于：步骤1）中，所述数字孪生模型是基于纤维增强复合材料零件的实体几何尺寸，采用CAD画图法所构建的几何模型。
3.根据权利要求1所述一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，其特征在于：步骤2）中，所述仿真工作环境是利用python技术抓取模具内实时压力分布数据，并利用python自带Matplotlib库实现可视化的虚拟工作环境。
4.根据权利要求1所述一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，其特征在于：步骤2）中，所述传感器为若干个压力传感器，用于采集模具容腔内的实时压力分布数据。
5.根据权利要求1所述一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，其特征在于：步骤3）中，采用如下数学公式计算树脂流动前沿各点的流速：
Figure QLYQS_3
式中，v为流动前沿流速，∇P为压力梯度；μ为树脂粘度；[K]为渗透率；∅为纤维材料的总孔隙度。
6.根据权利要求1所述一种基于数字孪生技术的薄壁件树脂传递模塑过程控制方法，其特征在于：步骤5）中，工艺优化控制过程采用动态控制策略，利用步骤（1）至（4）所形成的数字孪生体与模具进行实时数据滚动交换，确定模具树脂入口最优注射速率，实现对树脂传递模塑过程的动态最优控制。
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