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計算機仿真輔助RTM工藝模具設計探討論文
摘要：運用RTM工藝模具的設計理論及經(jīng)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(jìn)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(jìn)一步模具結構設計提供依據。
關(guān)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(cháng)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(zhì)量。RTM（ResinTransferMolding，樹(shù)脂傳遞模塑）是目前液體復合材料成型工藝中發(fā)展得比較迅速的一種先進(jìn)成型工藝，RTM成型的制件具有表面質(zhì)量?jì)?yōu)、精度高、孔隙率低等優(yōu)點(diǎn)，并且工藝設備簡(jiǎn)單、揮發(fā)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(shù)。李柏松[2]研究了纖維增強材料的鋪設結構及樹(shù)脂液流動(dòng)方式影響制件成型質(zhì)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(shù)融入到RTM模具的設計工作中能夠提高設計效率和節約時(shí)間成本。作者通過(guò)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(huán)氧樹(shù)脂，增強材料選用G0926碳纖維，依據等溫度粘度曲線(xiàn)可知，樹(shù)脂粘度隨著(zhù)溫度的升高迅速下降，120℃等溫時(shí)樹(shù)脂粘度曲線(xiàn)變化平緩，最為適合樹(shù)脂固化。
2模具設計
尾邊條整體結構簡(jiǎn)單，但截面尺寸漸變，長(cháng)度為4135mm，導致模具尺寸較大且為細長(cháng)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(cháng)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(lái)長(cháng)度，而復合材料結構件在降溫后無(wú)法恢復到原來(lái)尺寸，則會(huì )導致制備的結構件比所要求的結構件長(cháng)度上增長(cháng)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(cháng)度變長(cháng)，對兩端進(jìn)行切割出實(shí)際結構件長(cháng)度，則要確定結構件兩端截面尺寸變化量，需對其進(jìn)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�？涨辉陂L(cháng)度方向上由于鋼的熱脹冷縮效應伸長(cháng)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(cháng)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(lái)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(lái)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(diǎn)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(shuō)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(lái)截面尺寸的變化，即可以在鋼模中制備出零件后在兩端進(jìn)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(zhì)量和內部質(zhì)量要求。
3結束語(yǔ)
本文運用MSC.Patran/Nastran軟件對RTM成型模具進(jìn)行有限元建模和分析，可以直觀(guān)及全面地了解鋼�？涨辉诟飨蛏嫌捎阡摰臒崦浝淇s效應伸長(cháng)量，從而得出尾邊條成型時(shí)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(zhì)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(xué)學(xué)報，2002（24）：280-282.
[3]邱桂杰.樹(shù)脂傳遞模塑工藝中的參數對樹(shù)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(shù)，2011（10）：45-47.
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