Виртуальный инжиниринг

Моделирование неизотермического процесса пропитки на примере авиационной детали

При разработке технологии производства композитного изделия необходимо определить оптимальную схему пропитки конструкции. На данном этапе исключается наличие сухих зон, проводится оценка времени пропитки детали и если оно превышает время гелеобразования связующего нужно сменить выбранную технологию.

Следующий вопрос - это выбор оптимального температурного режима. Это касается как температуры самого связующего, так и наличия дополнительных зон подогрева изделия.

Рассмотрим два варианта производства изделия: пропитка, с последующим отверждением или одновременная пропитка и полимеризация детали.

Для первого случая в программном продукте ESI PAM-RTM предусмотрен специализированный модуль Curing. Предполагается, что перед началом расчета изделие полностью пропитано. Значения температур для всех компонент будет одинаковое. В ходе моделирования проводится оценка распределения полей температур, расчет степени полимеризации и времени затраченного на данный процесс.

Второй способ моделируется в модуле Heated RTM. В нем существует возможность проводить пропитку изделия с учетом теплообмена между смолой, тканью и оснасткой. Здесь моделируется неизотермический процесс, в ходе которого рассчитывается полимеризация смолы и изменение ее вязкости.

Рассмотрим процесс пропитки авиационного композитного изделия "крышка" технологией RTM с учетом тепловых процессов. Деталь изготавливается из углеродистой ленты и эпоксидной смолы. На рисунке ниже показана схема укладки слоев в изделии. Моделируемая деталь состоит из трех пакетов слоев: П, Р и С — для каждого из которых определены собственные толщины и ориентация (рис. 1).

Выбирая оптимальную технологию подачи и отвода связующего необходимо оценить следующие критерии: возможность реализации данной технологии на практике, время пропитки и количество затраченной смолы.

Из опыта известно, что оптимальной будет технология изготовления детали при следующей схеме: подача связующего ведется в центр изделия, а отвод - по торцам (рис. 2):

Для того, чтобы сократить время расчета и рассмотреть различные схемы производства, было принято решение проводить моделирование на оболочечной модели. При расчете процесса пропитки используется оболочечная модель, в расчете используются осредненные по толщине коэффициенты проницаемости материала.

Для учета схемы укладки и данных по проницаемости материалов изделие было разделено на две зоны, для каждой из которых была задана собственная ориентация волокон и данные по проницаемости материалов (рис. 3).

В описываемой задаче будут использованы два вида ткани со значениями коэффициентов проницаемости указанными в табл. 1. Свойства материалов были выбраны из стандартной базы данных.

Табл. 1. Значения коэффициента проницаемости.

 
K1, м2
K2, м2
К3, м2
Fabric 1

Fabric 2

1.3e-10 2.1e-10 3.1e-11
1.1e-11 2.5e-9 3.1e-11

Проведенные расчеты показали, что выбранная схема производства действительно оптимальна. Ее легко реализовать на практике, время пропитки составляет порядка 0,4 часа. Количество полезного затраченного связующего равно 4.8е-003 м3, потерянного 4.2е-004 м3 (рис. 4).

Опираясь на ранее проведенные расчеты по определению оптимальной схемы подачи и отвода связующего перейдем к следующему этапу проектирования технологии изготовления — расчету полимеризации.

Вариант 1. Модуль Curing. Рассмотрим задачу расчета процесса полимеризации изделия. Расчет будем проводить в специализированном модуле Curing программного пакета PAM-RTM. Предполагается, что температура смолы, ткани и степень полимеризации в начале расчета для всей конструкции одинаковая, моделируемое изделие полностью пропитано связующим. По торцам изделия ведется нагрев, задается постоянная температура 333 и 353 К (рис. 5).

Моделируя неизотермический процесс пропитки изделия необходимо дополнительно задать график изменения вязкости связующего в зависимости от температуры (рис. 6):

В данном примере на графике приведен диапазон температур от 300 до 350 К, вязкость изменяется соответственно от 2,4 до 0,2 Па*с.

Моделирование реакции кинетики отверждения смолы включает в себя ряд уравнений описывающих различное поведение связующего под воздействием тепла. Изменение коэффициента полимеризации во времени будет равно сумме веса каждой реакции на функцию, зависящую от температуры и коэффициента полимеризации.

В зависимости от характера поведения связующего под воздействием температуры, пользователь может выбрать одно из встроенных уравнений, описывающих изменение коэффициента полимеризации от температуры. Для данной задачи была выбрана следующая функция:

Приведенный график (рис. 7) позволяет оценить, как ведет себя связующее при определенных температурах. При нагреве изделия порядка 400 К полимеризация наступает практически мгновенно. Для того, чтобы успеть пропитать конструкцию, нужно выдерживать температуры не выше 350 К.

После проведения расчета оценим время, затраченное на полимеризацию изделия (рис. 8) и поле температур (рис. 9). В данном случае до полного отверждения изделия потребуется 3,5 часа.

 

Таким образом, на пропитку и последующую полимеризацию изделия понадобится порядка 4х часов.

Промоделируем другую технологическую схему, когда процесс полимеризации изделия начинается еще в процессе пропитки, это можно осуществить в модуле Heated RTM.

Вариант 2. Модуль Heated RTM. Рассмотрим расчет неизотермического процесса пропитки. В моделируемой задаче композитная заготовка будет находится между двумя металлическими оснастками.

В ходе процесса моделирования нижний инструмент нагревается за счет дополнительного подвода тепла, условие теплообмена с окружающей средой ­ адиабатическое. Для верхнего инструмента зададим условие естественного конвективного теплообмена.

Реализовать подобную задачу можно за счет использования модуля Heated RTM. В качестве результата пользователь получает не только данные о характере распределения связующего и возможных дефектах, но и может оценить температурные поля оснастки или изделия, рассчитать коэффициент полимеризации полученной конструкции.

Геометрию оснастки опишем трехмерными элементами. Она будет состоять из двух частей. Нижняя деталь (Zone 3) будет подогреваться через группу тепловых сенсоров, а верхняя (Zone 4,5) отводить тепло (рис. 10):

 

Для рассчитываемой конструкции рассмотрим две схемы производства. В первом случае нагрев ведется первые 3000 с, во втором - в течении всего процесса производства:

  • Вариант 2а. Толщина каждой оснастки 10 мм, нагрев нижней оснастки ведется первые 3000 с, границы изделия адиабатные. Нагрев производится по широкой части оснасти с температурой 353 К, по узкой 333 К. Для верхнего инструмента ведется учет конвективного теплообмена.
  • Вариант 2б. Толщина каждой оснастки 10 мм, нагрев нижней оснастки ведется в ходе всего процесса производства, границы изделия адиабатные. Нагрев производится по широкой части оснасти с температурой 333 К, по узкой 353 К. Для верхнего инструмента ведется учет конвективного теплообмена.

Вариант 2а

Кроме портов подачи и отвода связующего зададим дополнительные граничные условия для подогрева заготовки (рис. 11):

Связующее подается при температуре 298 К (Group 1), по торцам изделия введется дополнительный подогрев оснастки, значения температур 333 K (Group 3) и 353 К (Group 4), для всей поверхности верхнего инструмента учитывается отвод тепла (Group 5).

Оснастка выполнена из алюминия, толщина инструмента составляет 10 мм. Выбранный материал хорошо проводит тепло, т.к. инструмент тонкий и интенсивность нагрева небольшая - распределение температур при нагреве на нижней и верхней половине практически одинаковое. После отключения нагрева оснастки, инструмент будет постепенно остывать за счет естественной конвекции и теплообмена между оснатской, заготовкой и связующим (смола подается с более низкой температурой, 298 К). К концу расчета поля температур на инструментах будут одинаковые.

Дополнительный нагрев снижает вязкость смолы. При описанных граничных условиях время пропитки изделия составляет порядка 1,95 часа (рис. 12). Поскольку температура в полости увеличивается, вязкость смолы уменьшается и постепенно начинается реакция затвердевания смолы. На рисунке ниже показано распределение степени полимеризации смолы в конце расчета (рис. 13).

Вариант 2б

В следующей схеме производства изделия (рис. 14) поменяем значение температур на группах узлов 3 и 4 отвечающих за подогрев нижней оснастки местами. Нагревание инструмента ведется в течении всего процесса производства. Остальные граничные условия остаются без изменений.

За счет свободной конвекции на верхней границе происходит отвод тепла и данная граница имеет температуру чуть ниже в конце расчета (рис. 15). Для представленной второй расчетной схемы время пропитки изделия составляет 1,59 часа (рис. 16).

В данной задаче изделие полимеризуется практически полностью еще в ходе процесса пропитки. Не полимеризованными остаются небольшие участки конструкции в местах подвода и отвода связующего (рис. 17).

Для окончательного затвердевания смолы необходимо провести дополнительную выдержку изделия.

Проведенный численный анализ трех вариантов подогрева оснастки (2а и 2б) показывает не значительные отличия степени полимеризации практически при одинаковом времени пропитки и количестве затраченного связующего. Подобные расчеты помогают определить оптимальные параметры производства. При необходимости, в ходе расчета, можно изменять систему нагрева оснастки или связующего, что также значительно расширяет возможности оптимизации производства.

Табл. 2. Распределение температур для различных моментов времени.

Схема производства, вариант 2а.

Табл. 3. Распределение температур для различных моментов времени.

Схема производства, вариант 2б.

Табл. 4. Распределение коэффициента полимеризации для различных моментов времени.

Из проведенных расчетов можно сделать вывод, что более технологичным способом будет проведение пропитки с одновременным процессом отверждения изделия (при необходимости можно провести дополнительную выдержку конструкции). Кроме того, данный подход позволит сократить временные ресурсы.