复合材料LCM工艺计算机模拟优化基础研究

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复合材料液体成型工艺（Liquid Composite molding，简称LCM）是指以液态树脂注入预先铺放好增强材料预成型体的闭合模腔中，使液态树脂在流动充满模腔的同时完成纤维/树脂的浸润并随后固化成型为复合材料的一类工艺技术。LCM工艺技术具有低成本制造整体制件的特点，已成为二十一世纪复合材料的主导成型工艺之一。但LCM工艺参数、材料特性和缺陷形成之间关系错综复杂，在传统的LCM模具设计和工业生产中，工艺参数的选择大多取决于设计者的经验和反复实验，这样的过程既耗时且成本较高。采用计算机技术来模拟LCM的工艺过程对降低成本，科学地指导LCM工艺应用具有重要的现实意义。在Darcy定律和流体连续性方程的基础上，研究建立了LCM工艺流动充模过程的数学模型，采用有限元/控制体积单元算法（FEM/CV）实现对LCM工艺充模过程的模拟仿真。通过对比模拟结果与数学解析解，证明了模拟软件的可靠性。以典型零件为研究实例，详细研究工艺和材料参数（包括注射压力、树脂粘度、渗透率、注射方式和溢料口位置）对LCM工艺过程的影响规律。模拟结果显示注射压力和渗透率与充模时间成反比关系，树脂粘度与充模时间成线性关系，注射口和溢料口的位置对树脂流动形态有显著影响。实验验证表明模拟结果和实验结果具有较好的一致性。根据实际生产中防热套构件出现的工艺题目，采用LCM模拟系统进行注射方式和工艺参数分析，详细地分析了各种注射方式和不同的工艺参数对树脂充模过程的影响，解决了防热套构件的制造工艺，同时为LCM模拟系统在复杂三维构件中的应用奠定了基础。针对LCM工艺中极易出现的缺陷，研究提出 “干斑”预测原理和压力优化准则，并在模拟软件中实现了干斑预测功能和压力优化功能，以更准确地指导LCM工艺中溢料口的设置和注射压力的选择。另外，针对LCM工艺对树脂的低粘度平台要求，确定注射温度优化标准，编制了树脂注射温度优化软件，实现了对树脂注射温度的优化功能。基于直流电阻监测原理，系统研究了各种工艺因素对监测信号的影响规律，在此基础上建立了LCM工艺实时监测系统，实验证实监测系统可以准确地实时监测LCM工艺中闭合模腔中树脂的流动情况。研究成果为进一步深入研究LCM工艺闭合模腔中树脂的流动行为具有重要的应用价值。总之，本论文针对LCM工艺模拟和实时监测技术开展了系统的研究工作。论文研究成果对科学地指导LCM工艺应用和促进复合材料低成本化技术的发展具有重要意义。

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