計算機仿真輔助RTM工藝模具設計探討
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摘要：運用RTM工藝模具的設計理論及經驗，結合尾邊條結構尺寸公差要求，設計出RTM工藝模具基本結構尺寸，并以CA－TIA為工具生成模具的三維模型，進而建立模具的有限元模型，運用MSC.Patran/Nastran軟件分析出RTM工藝模具的各向位移分布，為進一步模具結構設計提供依據。
關鍵詞：RTM；尾邊條；模具；有限元
引言
操縱面的尾邊條結構多為長條結構，寬度較小，且截面形狀復雜，展向零件尺寸厚度變化大，如采用常規熱壓罐工藝很難保證尾邊條制件內部和表面質量。RTM（ResinTransferMolding，樹脂傳遞模塑）是目前液體復合材料成型工藝中發展得比較迅速的一種先進成型工藝，RTM成型的制件具有表面質量優、精度高、孔隙率低等優點，并且工藝設備簡單、揮發物少、制造成本較低[1]，因而尾邊條成型工藝采用RTM成型技術。李柏松[2]研究了纖維增強材料的鋪設結構及樹脂液流動方式影響制件成型質量。邱桂杰[3]研究了溫度和壓力對浸潤性的影響，并得出在較低的注射壓力和較高的成型溫度下，纖維能夠得到良好的浸潤和粘結，成型復合材料的抗拉伸強度比較高。王[4]提出計算機仿真技術融入到RTM模具的設計工作中能夠提高設計效率和節約時間成本。作者通過運用CATIA軟件建立模具三維模型，運用MSC.Patran/Nastran軟件建立有限元模型，完成邊界和熱載荷約束，計算分析模具模腔各向的位移分布，評估模具設計方案是否合理。
1尾邊條結構
運用CATIA軟件建立尾邊條的三維模型和模具三維模型，如圖1所示。依據尾邊條的結構和功能性要求，尾邊條基體選用RTM6-2環氧樹脂，增強材料選用G0926碳纖維，依據等溫度粘度曲線可知，樹脂粘度隨著溫度的升高迅速下降，120℃等溫時樹脂粘度曲線變化平緩，最為適合樹脂固化。
2模具設計
尾邊條整體結構簡單，但截面尺寸漸變，長度為4135mm，導致模具尺寸較大且為細長型。采用45#鋼材制備尾邊條RTM模具，其熱膨脹系數為11.3×10-6/℃，在180℃下4m長結構的熱膨脹量大約為7.2mm；而復合材料的熱脹冷縮效應較小，當溫度降低后鋼模由于其熱脹冷縮效應可恢復其原來長度，而復合材料結構件在降溫后無法恢復到原來尺寸，則會導致制備的結構件比所要求的結構件長度上增長約7.2mm，則需要從結構件兩端分別切割掉約3.6mm。由于截面尺寸漸變，結構件在模具中受到模具的熱脹冷縮效應，長度變長，對兩端進行切割出實際結構件長度，則要確定結構件兩端截面尺寸變化量，需對其進行尺寸大小分析。運用MSC.Patran/Nastran軟件建立模具的有限元模型（如圖2所示），完成邊界約束和熱載荷施加定義，計算分析模具模腔貼模面變形情況。在180℃下，有Nastran計算結果可知，鋼模空腔在長度方向上由于鋼的熱脹冷縮效應伸長了5.66mm，尾邊條的最大厚度為12.5mm，寬度為55mm，厚度與寬度分別是長度的3‰、13‰，因此尾邊條厚度與寬度方向上可以忽略熱脹冷縮效應帶來的尺寸變化。采用激光跟蹤儀所用的POLYWorks軟件把尾邊條數模放置到熱變形的模腔中測量其貼模間隙，以此來分析在鋼模中制備的零件與零件數模截面尺寸的變化，分析結果為：點數=11562，平均偏差=0.000，標準偏差=0.005，公差外曲面=0.071%。零件尺寸平均偏差為零，標準偏差為0.5%，說明貼模間隙很小，且均勻分布，則認為可以忽略由于鋼的熱脹冷縮效應帶來截面尺寸的變化，即可以在鋼模中制備出零件后在兩端進行機加切割。結果表明：模具材料選用和結構設計合理，模具所制得的尾邊條制件表面質量和內部質量要求。
3結束語
本文運用MSC.Patran/Nastran軟件對RTM成型模具進行有限元建模和分析，可以直觀及全面地了解鋼模空腔在各向上由于鋼的熱脹冷縮效應伸長量，從而得出尾邊條成型時所需模腔尺寸和尾邊條成型后的尺寸，并借助激光跟蹤儀所用的POLYWorks軟件驗證了尾邊條貼模間隙極小，表面質量良好。顯然，RTM成型模具設計方案和材料選用均較為合理。
參考文獻
[1]SoutisC.Carbonfiberreinforcedplasticsinaircraftconstruction[J].MaterialsScienceandEngineering：A，2005，412（1-2）：171-176.
[2]李柏松，王宇光，王繼輝.RTM缺陷形成機理的研宄[J].云南大學學報，2002（24）：280-282.
[3]邱桂杰.樹脂傳遞模塑工藝中的參數對樹脂-纖維界面的影響[J].玻璃鋼/復合材料，2002（2）：24-27.
[4]王.計算機仿真輔助復合材料rtm工藝模具設計[J].航空制造技術，2011（10）：45-47.
作者：司超超 凡玉 單位：中航飛機西安民機有限責任公司
