复合材料汽车发动机罩外板CRTM成型工艺仿真

栗彬琦 叶辉 梅娜130011) (吉林大学汽车学院 长春,

Automobile Technology & Material - - WORKSHOP SOLUTION -

1996—),作者简介:栗彬琦( 男,本科,研究方向为复合材料的成型工艺。

RTM(CRTM) PAM-RTM摘要:对压缩 成型过程进行了介绍,用 软件对汽车发动机罩外板CRTM RTM CRTM的 成型过程进行了仿真分析,并且与传统的 成型技术进行了对比,发现 成69%-84%,型工艺可以在较低的树脂注射压力下将充模时间缩短 大大提高了复合材料的生产效率。 CRTM PAM-RTM关键词:复合材料 汽车发动机罩U466 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180127中图分类号: 文献标识码:

1 前言 1.1 复合材料在汽车上的应用

随着汽车工业的高速发展,全球汽车保有量迅速增长,这带来了环境污染、能源消耗等一系列问题。所以现代汽车的设计越来越注重节能环10%,保。实验证明,汽车整车重量降低 燃油效率6%- 8%提高 。为追求汽车轻量化,越来越多的汽车开始采用纤维增强复合材料替代原始的钢材来设计车身。纤维增强树脂基复合材料具有比强度和比刚度高、机械性能定向性好、尺寸精度高、热膨胀性低、抗腐蚀等优点,已广泛应用于汽车、航空航天等高科技行业[1]。

与金属和合金相比具有重量轻的优点,但是复合材料的制造成本相对较高。原因是用于制造常规的复合材料的加工技术如手糊成型,热压罐成型等需要大量的熟练工人进行切割,堆成多层 纤维形成预成型体,而且生产效率较低。所以要提高复合材料的使用率必须改进其成型工艺、以有效降低加工成本。

1.2 RTM成型技术面临的问题

目前纤维增强复合材料常用的成型方法有热

RTM压罐成型、快速 成型工艺、模压成型工艺、片

RTM状模塑料成型。其中 成型工艺是最主要的液体模塑成型技术,它成型周期短,表面光洁度好,尺寸精度高[2]。RTM

但是传统的 工艺也存在生产效率不能满足现代汽车工业对制造技术的要求。尤其是新能源汽车电池重量大,对轻量化有着更高的要求。这对纤维复合材料的生产提出了更为急切的需求[3]。

RTM目前 成型工艺需要解决的问题主要有两个,一是缩短生产周期,提高生产效率,以获得更高的经济效益;二是增加纤维含量,以制造出满足强度

RTM刚度要求的制件。对于普通的 工艺,增加纤维含量会降低树脂的渗透率,这必然会导致树脂

RTM充模时间增长,降低了生产效率。在传统 工艺中要想解决这个问题,一种解决方案是通过提

高树脂注射压力来缩短充模时间。但是过高的注射压力会导致在模具中预先铺放的纤维方向发生改变,产生变形缺陷。另一种解决方案是提高树脂的注射温度,降低树脂粘度从而缩短充模时间。但是过高的树脂温度会改变树脂的化学性质,影响固化过程[4]。

2 CRTM成型工艺介绍

为解决提高复合材料纤维含量这一问题,提

RTM Crtm(compres⁃出一种在传统 工艺改进的sion Resin Transfer Molding)

工艺。该工艺过程如图1 RTM所示分为两个阶段:第一阶段与传统 工艺相同,在模具中可以铺放纤维或者预浸料,合模后向模具中注入树脂。第二阶段,关闭注入口,对其中的一个模具施加压力,使其靠近另一半模具,压缩树脂直至达到零件所要求的厚度。通过此过程实现树脂对纤维的浸润。

CRTM实际上 工艺过程除这种模具一半固定、一半可动的情况外还包含上下两半模具同时移动进行树脂填充。本文进行的仿真是模拟的单动式。

3 仿真分析 3.1 仿真软件

随着计算机技术的发展,数值模拟代替工艺PAM- RTM实验的方法得到广泛的应用。 是法国ESI RTM CRTM公司开发的能对 、 等液体成型工艺 进行专业三维过程模拟的软件,能方便地模拟出树脂在预成型体中的流动状态,压力分布及冲模时间,预测成型缺陷等,从而确定工艺过程中的相关参数,优化模具的设计,能对注胶口的设置进行优化。最终达到降低模具的生产周期,提高生产效率,降低复合材料的生产成本的目的。

PAM- RTM本文利用 软件对汽车发动机罩的CRTM成型过程进行了有限元仿真研究。

3.2 仿真过程

画好网格的汽车发动机罩外板的三维模型如2图 所示。在本次有限元仿真中用三角形单元对模1 330 2 511型进行了网格的划分。共包含 个节点,个单元。 CRTM在进行 工艺过程仿真之前,必须在相同RTM的工艺条件及参数下进行传统的 过程的仿CRTM真。因为在 工艺中,上下模具在开始前具有一定的间隙。为减少树脂的浪费,我们先进行RTM过程的仿真,并将此过程下得到的树脂注射CRTM量的结果作为 工艺过程的树脂注入量。我dtf们可以从软件的 文件中获得该过程所用的树脂3.14含量。结果显示本次仿真中注入树脂总量为L, 0.000 327 L其中流失树脂量为 。当树脂注射量达到该值时关闭注胶口,停止注射,并且可动模开始压缩。当达到发动机罩外板的规定尺寸厚度时停止压缩。所以实际生产中我们需要能检测两个模具之间距离的传感器来控制工艺过程的进行。发动机罩外板应具有足够的刚度,以防止在汽车行驶过程中产生振动,产生噪音,严重情况下还可能造成疲劳损坏。为保证制件的强度与刚度,发动机罩外板需要较高的纤维含量。在本次50% PAM RTM模拟中制件的纤维含量为 。 软件同3时具有检测纤维含量的功能,如图 所示。

在其他参数相同的情况下,分别在注射压力为0.1 Mpa 0.2 Mpa 0.3 Mpa 0.4 Mpa 0.5 Mpa、 、 、 、 的情况RTM CRTM下对 、 两种工艺过程都进行了模拟。其CRTM 0.1 mm/s中 中的可动模的压缩速度设置为 。对两种工艺过程在五种注射压力下所用的时间进行了记录与对比。

3.3 仿真结果 4 结论

a. CRTM在相同的注射压力的条件下 工艺所RTM用的填充时间要远远小于 工艺所需要的填充69%-84%时间,充模时间缩短了 。b. CRTM树脂注射压力对 工艺的填充时间影响并不大。c.注射压力越低,缩短填充时间的效果显著。d.综合上述,且避免过大的注射压力改变纤维CRTM的铺层方向,在 工艺中,应选取较小的注射压力。

参考文献:

[1] . [D].吴方贺 碳纤维复合材料发动机罩结构设计与优化, 2017.吉林大学[2] , , , . RTM孙赛 刘木金 王海 崔天放 成型工艺及其派生工[J]. , 2010, 40(06):21-23.艺 宇航材料工艺[3] .李丹阳 电动汽车覆盖件轻量化的力学性能分析和研[D]. , 2014.究 哈尔滨工业大学[4] Akbar Shojaei. Numerical simulation of threedimensional flow and analysis of filling process in compression resin transfer moulding[j]. Composites Part A,2005,37(9).

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