玻璃钢夹芯结构真空导入树脂流动特性分析及验证

2022.10.29

孙风胜张维英黄亚南栾剑

【摘? 要】真空辅助树脂传递模塑（VARTM）是制备高性能复合材料尤其是船用玻璃钢（FRP）的有效方法。论文通过对预置芯材的玻璃钢结构中树脂导入过程的流动特性进行分析，对树脂在模具里的流动进行建模仿真，获得树脂在夹芯结构中的运动结果。选择合理的芯材和导流管的布置形式，对玻璃钢结构特性进行实验验证，获得了良好的加工效果。

【Abstract】The vacuum assisted resin transfer molding （VARTM） is an effective method to fabricate high performance composite materials， especially marine glass fiber reinforced plastics （FRP）. In this paper， the flow characteristics of resin in FRP structure with prefabricated core material are analyzed， and the flow of resin in mold is modeled and simulated to obtain the motion result of resin in sandwich structure. By selecting reasonable arrangement of core material and diversion tube， the characteristics of FRP structure are verified by experiment， and good machining effect is obtained.

【關键词】玻璃钢夹芯结构;真空导入;分析及验证

【Keywords】FRP sandwich structure; vacuum introduction; analysis and verification

【中图分类号】U674.934? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2020）10-0166-03

1 研究现状

真空辅助树脂传递模塑（VARTM），是在固定的玻璃钢模具上铺设增强复合材料（玻璃纤维、碳纤维等），在复合材料上面铺设真空袋，在模具边缘敷设密封胶带等，然后将真空袋中的气体抽除，在模具和密封袋间形成负压，利用此负压将树脂直接从预敷的管道中导入此真空袋中，进而浸润纤维层和芯材，最后让树脂充满整个模具，制品固化后，揭除真空袋，进而从模具上得到所需形状的产品。VARTM技术就是采用单面模具建立一个闭合系统，利用真空导入的技术，将不饱和树脂固化成型。

目前VARTM技术在汽车和风力发电领域应用较多，在船艇船体成型工艺上的应用方面，由于船艇自身型线复杂，模具制造困难，工艺存在失败风险等诸多原因，致使玻璃钢真空导入成型工艺在船舶建造领域仍处于起步阶段。

国外对灌注工艺较重视，相继开展研究，不仅复合材料行业对此进行专门研究，玻璃钢船生产厂商如意大利船舶制造商Agostini? Nautica等自行研究开发船艇生产专用的灌注技术，在改善树脂含量、提高产品机械性能上有显著作用，可在满足力学性能的前提下，有效降低船艇自身重量，这对船艇的性能十分有利[1];P. Sinacek， Y. S Songs等人建立VARTM工艺后注射过程的控制模型和探索此过程的数值模拟，并研究了后注射阶段的影响因素和浸润机理，以及厚度的变化规律[2];Chensong Dong等应用二次衰退模型研究双重渗透性多孔介质的三维流动，以及探索VARTM工艺的数值模拟和优化设计[3]。S. Xiu Dong等提出了VARTM工艺的流动模型，将树脂在导流介质中的流动看作是一种存在垂直渗流的平面流动[4]。Navies和Strokes针对增强材料预成型体和模腔壁间敞口流道的流动提出了Naviers-Strokes方程，为研究液体模塑成型工艺中的边缘效应提供了理论依据[5]。

近年来，国内也有部分学者开始对玻璃钢真空导入结构成型工艺开展研究，目前研究的方向主要集中在不变粘度前提下，单板结构的成型变化机理。杨金水等人对真空导入模塑工艺中树脂的流动模型及机理、流动行为的数值模拟和流动行为的监测控制，并在此基础上对真空导入模塑工艺树脂流动行为的研究前景进行了展望[6]。王晓霞等人对玻璃钢真空导入成型中树脂的固化变形进行了研究，系统探讨了固化成型中应力对结构的影响[7-9]。VARTM工艺利用真空负压吸注树脂，吸注压力≤0.10MPa，其注胶过程要求树脂体系具有较低的粘度和足够的低粘度保持时间，树脂工艺粘度应保持在100～300MPa·s[10，11]。

夹芯的玻璃钢结构在船舶制造领域应用非常广泛，但由于船体属于曲面结构，在模具表面预置芯材将可能引起树脂流动不畅，导致整个结构成型失败，但预置芯材真空导入成型将大大提高成型速度，并且由于一体化制造，保证了芯材结构与板材良好的结合。因此，针对树脂在夹芯玻璃钢结构的制备过程中的流动特性分析将有利于提升优化夹芯结构的真空导入成型技术在船舶制造领域的应用。

2 树脂流动的数学模型

树脂在真空中流动过程是不可压缩的牛顿流体，树脂的流动依靠的是真空的梯度压力，在此过程中，树脂液体的表面张力与之相比很小，可以忽略不计，因此可以认为树脂流动为二维运动，进而进行运动分析。多孔介质中树脂流动，遵循Darcy定律。

当其中预置芯材后，则X方向受阻，树脂将只能从芯材底部槽道通过并扩散，而槽道的布局确定了扩散的方向，同时树脂在流动的过程中粘度也是随时间会发生变化的，如果槽道口布置不合理，树脂粘度经过底部槽道同样会导致粘度损失，因此，在经过肋骨的位置时一定要设置合理宽度和间隔的槽道，保证树脂能够在预置芯材所在位置顺利通过。此时通过的粘度压力随时间变化方程为：

为避免树脂穿过槽道的过程中，由于粘度变化会导致在芯材背流面扩散不充分，扩散失败或者时间过长导致提前固化，因此在实验过程中一定要满足粘度和树脂扩散的要求。

3 模拟仿真

结合某公司建造的真空导入工作艇，进行建模仿真。该艇长12.4m，型宽3.2m，型深1.8m。对其进行真空导入的模拟仿真，可以采用树脂模注工艺领域的数字化仿真分析软件RTM-Worx进行分析。RTM-Worx是利用有限元在多孔介质中的流动分析来模拟树脂导入过程中的运动分析，用来分析树脂导入过程效果非常贴近实际。对于小艇的仿真，可以利用UG对其建模，并利用RTM-Worx对其进行树脂导入过程模拟分析。工作艇型线如图2所示。

在其肋位所在位置预置芯材，并且进行树脂真空导入，导入后将出现非常均匀的扩散现象，不会出现局部导入成型效果不佳。对其局部进行分析可以看出树脂导入距离到入口越远，树脂才会出现固化不良的情况。在预置芯材的位置进行导入，导流并没有延缓树脂流动速度，可以看出树脂浸润效果良好，在实际生产中如果加入导流介质将对提高充模速度更为有利。

树脂在预置芯材的模具中流动时，需要穿过芯材，芯材的存在会阻挡树脂的流动，因此，在预置芯材与模具接触处应设置合理的导流孔，导流孔的布置位置和方式将影响树脂流动方向和速度。在船体结构上，芯材一般位于肋骨所在处，因此，芯材可认为是等间距布置，肋骨间距为500～600mm，在树脂流动过程中，导流管布置的位置放弃常见的纵向布局方式，将导流空置于开槽芯材上部，由上部导入树脂，由芯材下方导流槽将树脂扩散至整个模具。

4 实验验证

加工设备及材料：双轴向0°/90°玻璃纤维布，面密度600g/m2，预置开槽泡沫芯材、不饱和聚酷树脂、过氧化甲乙酮、导流介质、密封胶带、真空袋膜、脱模布、真空泵等。船体的真空导入成型采用预置芯材外阴模加辅助真空的形式，首先在模具上铺敷玻璃布增强材料，预置芯材于肋位上，外层用脱模布材料、导流材料及真空袋膜进行逐层包覆，注射孔选择肋位中部开口导入模式，两端面设置出口并抽真空，控制数值流速，浸润完成后固化处理。

在加工时，将预置的芯材采用纵向开槽的方式，这样可以确保有芯材时树脂仍能无阻挡流动，更能保證树脂自由扩散在实验过程中，树脂穿过预置芯材时，芯材的槽道迅速被树脂充满，进而树脂向周围区域扩散，前后两导管之间的树脂流动在中间汇合，为避免空气被挤压在中间，难以排除，需将导管布局错层布置，这样形成的船体结构效果更好。船体结构也能够很好地一次性成型。

5 结论

本文利用仿真模型能够很好地模拟预置芯材玻璃钢VARTM的树脂流动特性，根据其流动前沿曲线的分析，得到预测出树脂浸润在实际生产中的质量和充模的进度，对夹芯玻璃钢结构的工艺优化和船体的一次成型有重要的指导意义。

【参考文献】

【1】姚树镇.玻璃钢船艇闭模灌注成型工艺[J].中外船舶科技，2007（03）：40-41+39.

【2】Bekir Yenilmez，Murat Senan，E. Murat Sozer. Variation of part thickness and compaction pressure in vacuum infusion process[J]. Composites Science and Technology，2008，69（11）.

【3】Song Y S ， Jeong T T . Computational Analysis and Simulation of Vacuum Infusion Molding Process[C]// Computational Science-iccs， International Conference， Reading， Uk， May. DBLP， 2006.

【4】Dong C. Development of a process model for the vacuum assisted resin transfer molding simulation by the response surface method[J].Composites Part A Applied ence & Manufacturing，2006，37（9）：1316-1324.

【5】古托夫斯基TG.先进复合材料制造技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

【6】杨金水，肖加余，曾竟成，等.真空导入模塑工艺树脂流动行为研究进展[J].宇航材料工艺，2010，40（01）：5-8.

【7】王晓霞，王成国，贾玉玺，等.热固性树脂固化动力学模型简化的新方法[J].材料工程，2012（06）：67-70.

【8】王晓霞，贾玉玺，程程，等.树脂传递模塑工艺的模内固化及复合材料脱模变形[J].高分子材料科学与工程，2010，26（09）：151-154.

【9】郭明恩，孙祖莉，边文凤，等.真空导入工艺参数对复合材料孔隙含量的影响[J].材料工程，2012（10）：54-57+62.

【10】Correia N C， Robitaille F， Long A C.et al. Analysis of vacuum infusion moulding process I： Analytical formulation [J].Composites Part A.2005，36（12）：1645-1656.

【11】Brouwer W D， Vn Her Pt E， Labordus M. Vacuum injecitonmoulding of large structural applications[J].Composites Part A，2003（34）：551-558.