Виртуальный инжиниринг

Использование численного моделирования в производстве композитов. Моделирование одностадийной пропитки сложной композиционной панели

Разработка технологии производства сложной конструкции зачастую представляет собой довольно трудоемкий и дорогостоящий процесс, особенно когда это касается композиционных материалов. Использование специальных программных продуктов для моделирования производства композитов, бесспорно, упрощает поставленную задачу.

С 1965 года в Париже ежегодно стартует международная выставка JEC Composite, которая собирает ведущих специалистов в области композиционных материалов. Здесь можно узнать о новейших разработках, предназначенных для производства композитов, методиках их испытаний и расчетов. В 2011 году на выставке была представлена панель, полученная методом RTM, которую удалось пропитать в один этап.

Специалистами ГК «ПЛМ Урал» - «Делкам-Урал» было принято решение для выставки JEC Composite 2012 разработать схему пропитки для этого изделия, используя специализированный программный продукт PAM-RTM от компании ESI Group. Численное моделирование позволяет сократить количество стендовых испытаний и соответственно снизить материальные и финансовые затраты, необходимые для производства композитов. Разработанная технология должна была позволить получить композитную конструкцию без сухих областей.

В данной работе были поставлены следующие цели:

  1. Моделирование процесса пропитки изделия (Результат: время пропитки, фронт пропитки, количество затраченного связующего).
  2. Прогнозирование образования непропитанных областей заготовки.
  3. Рекомендации для уменьшения площади непропитанных зон.

Подготовка модели проводилась в пакете Visual-Mesh. Основные этапы подготовки геометрии включали в себя:

  • Импорт 3D геометрии из CAD системы NX в Visual-Mesh (например, используя расширение *.igs).
  • Создания серединой поверхности модели с помощью встроенного функционала Visual-Mesh.
  • Разбиение имеющейся геометрии модели на отдельные зоны в зависимости от количества слоев материала.
  • Создание конечно-элементной сетки на геометрии серединной модели. (На границах зон сетка задается узел в узел).
  • Импорт полученной сетки в PAM-RTM для проведения последующей пропитки изделия.

При расчете учет многослойности был осуществлен за счет создания зон, каждая из которых имела собственную толщину и ориентацию волокон в соответствии с реальной моделью.

Перед запуском на расчет в PAM-RTM необходимо задавать свойства материала и смолы. Для исследуемой задачи основными исходными данными к работе являлись следующие параметры:

  • Плотность смолы: 1000 кг/м3.
  • Вязкость смолы: 0.7 Па с.
  • Проницаемость волокна: K1=1 10-10 м2, K2=3 10-10 м2, K3=1 10-9 м2 (Значение выбрано условно, исходя из стандартной базы и не соответствуют реальному материалу).
  • Содержание волокна: 40 %.
  • Толщина монослоя 0.2 мм. Для каждой зоны толщина задается в соответствии с количеством слоев.

Процесс дегазации в моделируемых задачах не учитывался.

После подготовки сеточной модели и задания свойств материала, используемого в детали, были проведены расчеты нескольких схем пропитки композитной конструкции. Переменным параметром было расположение границ отвода и подачи связующего.

Моделирование процесса пропитки изделия

В первой задаче использовалась следующая схема пропитки: подача связующего осуществлялась через узлы бокового торца Group 1.

При решении данной задачи учитывались свойства смолы и материала, толщина конструкции, процентное содержание волокна и условия подачи и отвода связующего вещества.

Целью было определение фронта распределения смолы, вычисление объема затрачиваемого связующего и времени необходимого на пропитку изделия, напрямую зависящую от проницаемости материала. В связи с тем, что данные по проницаемости были выбраны условно, результаты, полученные в данной работе, позволяют лишь оценить картину процесса пропитки.

При разработке технологии производства композита и в частности пропитки конструкции, необходимо учитывать, что в изделии могут остаться сухие зоны материала. В расчетном модуле PAM-RTM существует возможность автоматически определить наличие подобных дефектов.

Задача 1

Моделирование первой задачи показало, что при данной схеме подачи и отвода связующего в изделии остается большое количество непропитанных областей.

В связи с этим было предложено проанализировать еще несколько подходов, в которых реализованы альтернативные схемы подачи и отвода связующего вещества.

Задача 2

Задача 3

Задача 4

Задача 5

Наиболее оптимальным способом пропитки оказался последний вариант (подача ведется в центр конструкции под давлением 1 атм). При данной схеме количество непропитанных зон в конструкции минимально. Сухие области наблюдаются только в местах подачи и отвода связующего. Данные дефекты можно исключить, увеличив допуск на обработку.

Таким образом, программный продукт PAM-RTM позволяет разрабатывать оптимальную технологию производства сложных композитных деталей, варьируя различные параметры, для получения полностью пропитанных изделий без дефектов.