计算机仿真辅助复合材料RTM工艺模具设计
司超超+凡玉
摘 要：运用RTM工艺模具的设计理论及经验，结合尾边条结构尺寸公差要求，设计出RTM工艺模具基本结构尺寸，并以CATIA为工具生成模具的三维模型，进而建立模具的有限元模型，运用MSC.Patran/Nastran软件分析出RTM工艺模具的各向位移分布，为进一步模具结构设计提供依据。
关键词：RTM；尾边条；模具；有限元
引言
操纵面的尾边条结构多为长条结构，宽度较小，且截面形状复杂，展向零件尺寸厚度变化大，如采用常规热压罐工艺很难保证尾边条制件内部和表面质量。RTM（Resin Transfer Molding，树脂传递模塑）是目前液体复合材料成型工艺中发展得比较迅速的一种先进成型工艺，RTM成型的制件具有表面质量优、精度高、孔隙率低等优点，并且工艺设备简单、挥发物少、制造成本较低[1]，因而尾边条成型工艺采用RTM成型技术。
李柏松[2]研究了纤维增强材料的铺设结构及树脂液流动方式影响制件成型质量。邱桂杰[3]研究了温度和压力对浸润性的影响，并得出在较低的注射压力和较高的成型温度下，纤维能够得到良好的浸润和粘结，成型复合材料的抗拉伸强度比较高。王 [4]提出计算机仿真技术融入到RTM模具的设计工作中能够提高设计效率和节约时间成本。作者通过运用CATIA软件建立模具三维模型，运用MSC.Patran/Nastran软件建立有限元模型，完成边界和热载荷约束，计算分析模具模腔各向的位移分布，评估模具设计方案是否合理。
1 尾边条结构
运用CATIA软件建立尾边条的三维模型和模具三维模型，如图1所示。依据尾边条的结构和功能性要求，尾边条基体选用RTM6-2环氧树脂，增强材料选用G0926碳纤维，依据等温度粘度曲线可知，树脂粘度随着温度的升高迅速下降，120℃等温时树脂粘度曲线变化平缓，最为适合树脂固化。
2 模具设计
尾边条整体结构简单，但截面尺寸渐变，长度为4135mm，导致模具尺寸较大且为细长型。采用45#钢材制备尾边条RTM模具，其热膨胀系数为11.3×10-6/℃，在180℃下4m长结构的热膨胀量大约为7.2mm；而复合材料的热胀冷缩效应较小，当温度降低后钢模由于其热胀冷缩效应可恢复其原来长度，而复合材料结构件在降温后无法恢复到原来尺寸，则会导致制备的结构件比所要求的结构件长度上增长约7.2mm，则需要从结构件两端分别切割掉约3.6mm。由于截面尺寸渐变，结构件在模具中受到模具的热胀冷缩效应，长度变长，对两端进行切割出实际结构件长度，则要确定结构件两端截面尺寸变化量，需對其进行尺寸大小分析。
运用MSC.Patran/Nastran软件建立模具的有限元模型（如图2所示），完成边界约束和热载荷施加定义，计算分析模具模腔贴模面变形情况。
在180℃下，有Nastran计算结果可知，钢模空腔在长度方向上由于钢的热胀冷缩效应伸长了5.66mm，尾边条的最大厚度为12.5mm，宽度为55mm，厚度与宽度分别是长度的3‰、13‰，因此尾边条厚度与宽度方向上可以忽略热胀冷缩效应带来的尺寸变化。采用激光跟踪仪所用的POLYWorks软件把尾边条数模放置到热变形的模腔中测量其贴模间隙，以此来分析在钢模中制备的零件与零件数模截面尺寸的变化，分析结果为：点数=11562，平均偏差=0.000，标准偏差=0.005，公差外曲面=0.071%。
零件尺寸平均偏差为零，标准偏差为0.5%，说明贴模间隙很小，且均匀分布，则认为可以忽略由于钢的热胀冷缩效应带来截面尺寸的变化，即可以在钢模中制备出零件后在两端进行机加切割。结果表明：模具材料选用和结构设计合理，模具所制得的尾边条制件表面质量和内部质量要求。
3 结束语
本文运用MSC.Patran/Nastran软件对RTM成型模具进行有限元建模和分析，可以直观及全面地了解钢模空腔在各向上由于钢的热胀冷缩效应伸长量，从而得出尾边条成型时所需模腔尺寸和尾边条成型后的尺寸，并借助激光跟踪仪所用的POLYWorks软件验证了尾边条贴模间隙极小，表面质量良好。显然，RTM成型模具设计方案和材料选用均较为合理。
参考文献
[1]Soutis C. Carbon fiber reinforced plastics in aircraft construction[J].Materials Science and Engineering：A，2005，412（1-2）：171-176.
[2]李柏松，王宇光，王继辉.RTM缺陷形成机理的研宄[J].云南大学学报，2002（24）：280-282.
[3]邱桂杰.树脂传递模塑工艺中的参数对树脂-纤维界面的影响[J].玻璃钢/复合材料，2002（2）：24-27.
[4]王 .计算机仿真辅助复合材料RTM工艺模具设计[J].航空制造技术，2011（10）：45-47.
