汽车大数据库锦湖日丽麦克恒通轻量化在线

[复合材料] 复合材料汽车发动机罩外板CRTM成型工艺仿真

[复制链接]
查看9 | 回复1 | 2020-2-14 09:09:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
复合材料汽车发动机罩外板CRTM成型工艺仿真

栗彬琦 叶辉 梅娜
(吉林大学汽车学院 长春,130011)
【中国汽车材料网】摘要:对压缩RTM(CRTM)成型过程进行了介绍,用PAM-RTM软件对汽车发动机罩外板的CRTM成型过程进行了仿真分析,并且与传统的RTM成型技术进行了对比,发现CRTM成型工艺可以在较低的树脂注射压力下将充模时间缩短69%-84%,大大提高了复合材料的生产效率。
关键词:复合材料 汽车发动机罩 CRTM PAM-RTM

1 前言
随着汽车工业的高速发展,全球汽车保有量迅速增长,这带来了环境污染、能源消耗等一系列问题。所以现代汽车的设计越来越注重节能环保。实验证明,汽车整车重量降低10%,燃油效率提高6%-8%。为追求汽车轻量化,越来越多的汽车开始采用纤维增强复合材料替代原始的钢材来设计车身。纤维增强树脂基复合材料具有比强度和比刚度高、机械性能定向性好、尺寸精度高、热膨胀性低、抗腐蚀等优点,已广泛应用于汽车、航空航天等高科技行业[1]。

与金属和合金相比具有重量轻的优点,但是复合材料的制造成本相对较高。原因是用于制造常规的复合材料的加工技术如手糊成型,热压罐成型等需要大量的熟练工人进行切割,堆成多层纤维形成预成型体,而且生产效率较低。所以要提高复合材料的使用率必须改进其成型工艺、以有效降低加工成本。


1.2 RTM成型技术面临的问题

目前纤维增强复合材料常用的成型方法有热压罐成型、快速RTM成型工艺、模压成型工艺、片状模塑料成型。其中RTM成型工艺是最主要的液体模塑成型技术,它成型周期短,表面光洁度好,尺寸精度高[2]。

但是传统的RTM工艺也存在生产效率不能满足现代汽车工业对制造技术的要求。尤其是新能源汽车电池重量大,对轻量化有着更高的要求。这对纤维复合材料的生产提出了更为急切的需求[3]。目前RTM成型工艺需要解决的问题主要有两个,一是缩短生产周期,提高生产效率,以获得更高的经济效益;二是增加纤维含量,以制造出满足强度刚度要求的制件。对于普通的RTM工艺,增加纤维含量会降低树脂的渗透率,这必然会导致树脂充模时间增长,降低了生产效率。在传统RTM工艺中要想解决这个问题,一种解决方案是通过提高树脂注射压力来缩短充模时间。但是过高的注射压力会导致在模具中预先铺放的纤维方向发生改变,产生变形缺陷。另一种解决方案是提高树脂的注射温度,降低树脂粘度从而缩短充模时间。但是过高的树脂温度会改变树脂的化学性质,影响固化过程[4]。


2 CRTM成型工艺介绍

为解决提高复合材料纤维含量这一问题,提出一种在传统RTM工艺改进的CRTM(Compres⁃sion Resin Transfer Molding)工艺。该工艺过程如图1所示分为两个阶段:第一阶段与传统RTM工艺相同,在模具中可以铺放纤维或者预浸料,合模后向模具中注入树脂。第二阶段,关闭注入口,对其中的一个模具施加压力,使其靠近另一半模具,压缩树脂直至达到零件所要求的厚度。通过此过程实现树脂对纤维的浸润。

实际上CRTM工艺过程除这种模具一半固定、一半可动的情况外还包含上下两半模具同时移动进行树脂填充。本文进行的仿真是模拟的单动式。

77186ab3f4dc35131dc20c06a0c6ebff.jpg
图1 CRTM工艺过程

3 仿真分析

3.1 仿真软件

随着计算机技术的发展,数值模拟代替工艺实验的方法得到广泛的应用。PAM-RTM是法国ESI公司开发的能对RTM、CRTM等液体成型工艺进行专业三维过程模拟的软件,能方便地模拟出树脂在预成型体中的流动状态,压力分布及冲模时间,预测成型缺陷等,从而确定工艺过程中的相关参数,优化模具的设计,能对注胶口的设置进行优化。最终达到降低模具的生产周期,提高生产效率,降低复合材料的生产成本的目的。

本文利用PAM-RTM软件对汽车发动机罩的CRTM成型过程进行了有限元仿真研究。


3.2 仿真过程

画好网格的汽车发动机罩外板的三维模型如图2所示。在本次有限元仿真中用三角形单元对模型进行了网格的划分。共包含1 330个节点,2 511个单元。

cb389dd11c6d06a4c68fcd5e92af0604.jpg
图2 汽车发动机罩外板有限元模型

在进行CRTM工艺过程仿真之前,必须在相同的工艺条件及参数下进行传统的RTM过程的仿真。因为在CRTM工艺中,上下模具在开始前具有一定的间隙。为减少树脂的浪费,我们先进行RTM过程的仿真,并将此过程下得到的树脂注射量的结果作为CRTM工艺过程的树脂注入量。我们可以从软件的dtf文件中获得该过程所用的树脂含量。结果显示本次仿真中注入树脂总量为3.14 L,其中流失树脂量为0.000 327 L。当树脂注射量达到该值时关闭注胶口,停止注射,并且可动模开始压缩。当达到发动机罩外板的规定尺寸厚度时停止压缩。所以实际生产中我们需要能检测两个模具之间距离的传感器来控制工艺过程的进行。

发动机罩外板应具有足够的刚度,以防止在汽车行驶过程中产生振动,产生噪音,严重情况下还可能造成疲劳损坏。为保证制件的强度与刚度,发动机罩外板需要较高的纤维含量。在本次模拟中制件的纤维含量为50%。PAM RTM软件同时具有检测纤维含量的功能,如图3所示。

b655666794765ea094a4b92bd158915e.jpg
图3 纤维含量

在其他参数相同的情况下,分别在注射压力为0.1 Mpa、0.2 Mpa、0.3 Mpa、0.4 Mpa、0.5 Mpa的情况下对RTM、CRTM两种工艺过程都进行了模拟。其中CRTM中的可动模的压缩速度设置为0.1 mm/s。对两种工艺过程在五种注射压力下所用的时间进行了记录与对比。


3.3 仿真结果
表1 两种成型工艺填充时间 时间/s
2ea34ad6e76baaa2f6cd5ddcc7018ebb.jpg

93773dc6478c671c9c3cfb6df4ac34a6.jpg
图4 填充时间图

27ad526e128b1a38946ba06f4f1c9231.jpg
图5 RTM/CRTM填充时间比值图

4 结论

a.在相同的注射压力的条件下CRTM工艺所用的填充时间要远远小于RTM工艺所需要的填充时间,充模时间缩短了69%-84%。

b.树脂注射压力对CRTM工艺的填充时间影响并不大。

c.注射压力越低,缩短填充时间的效果显著。

d.综合上述,且避免过大的注射压力改变纤维的铺层方向,在CRTM工艺中,应选取较小的注射压力。




汽车新材料_CFRJ | 2020-2-16 16:37:44 来自手机 | 显示全部楼层
发布宝贝上班呢
回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则