清大以Moldex3D成功验证真空辅助树脂转注制程

编辑:科盛科技技术支援部 高级工程师 林哲平
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清华大学复校初期重点为原子科学,其后则扩展至理工方面,近十几年来更积极发展人文社会、生命科学、电机信息与科技管理;渐渐地,清华已成为一文、理、工均衡发展的学府,且为东亚的一流大学之一。(来源:https://www.nthu.edu.tw/)

大纲

目前风力叶片大多采用复合材料为主体材料,复合材料以一定层数纤维上下包裹住中间的芯材,形成类似三明治的结构,此种结构能够在保有一定结构强度下,有效减轻风力叶片重量。目前主流芯材以PVC及巴沙木为主流,且为了灌注的顺畅,在芯材上会有一定宽度的刻沟。为了获得高精确的模拟结果,不同于传统的RTM模拟方式,必须要将纤维和刻沟同时进行模拟。

挑战

由于芯材包含了刻沟和孔道,本案例不仅是要模拟常见的纯纤维RTM,也要挑战更复杂的几何结构,增加仿真的困难度。

解决方案

Moldex3D RTM 模块可以针对各个迭层定义不同的属性及纤维排向,有利于模拟复杂的RTM制程。其独特的等效渗透率功能,精准的仿真PVC 芯材里刻沟与流道的流动特性,达到模拟与实验结果比对高度的准确性。

效益

  • 精准仿真三明治结构流体行为
  • 简化RTM仿真流程,缩短开发周期
  • 优化制程

案例研究

现行研究中多将用于强化的芯材及纤维布视为单一对象,并以达西定律描述其特征:

在方程式中,u和μ代表流动黏性和树脂黏性;K和ϕ则为流动介质的渗透率和孔隙率;∇P是压力梯度。在此计算模式之下,导流网和无纤维区域的流动特征就无法去耦合,从而限制了所开发模型的准确性和灵活性。

本案例中,清大团队使用的研究模型为三明治结构的复合材材料,其结合了玻璃布及含有刻沟的PVC芯材(图一)。实验方法则为真空辅助树脂转注成型(VARTM)(图二)。

图一 三明治结构模型:(a)示意图、(b)对象实体照及(c)仿真中的实体网格。

图二 本案例之实验方法

清大团队使用有限体积法,分别模拟树脂在PVC芯材中含纤及不含纤(例如刻沟)区域时的流动行为(图三)。芯材尺寸为480×320×10.2 mm3。芯材中有两种刻沟,其中长方形的刻沟宽1 mm、深8.2 mm,以纵横交错方式排列,两条最接近的平行刻沟距离约为29 mm;此外有408条垂直圆柱形刻沟, 直径2 mm、深10.2 mm,平均分配在芯材中。清大团队以达西定率模拟树脂流动。在设计完芯材结构之后,藉由达西定律以等效渗透率对通道内部的流动行为进行建模。这样可以使用相同类型的控制方程式来设计整个模拟,使边界条件的设置相对容易。

图三 实体网格及仿真属性设定

将模拟结果与实验结果进行比较以说明该模型的可行性,结果显示,仿真的流动模式成功证明了实际观察到的流动模式(图四)。 此外所提出的模拟架构也具备处理多种芯材和纤维组合的弹性,是产业应用中非常需要的功能。

图四 实验与模拟结果的流动波前时间比较

结果

本研究中,清大团队藉Moldex3D RTM模块独特的等效渗透率功能,精准的仿真PVC 芯材里刻沟与流道的流动特性,模拟与实验结果高度相符。由于现场实验只能将摄影机架设于产品上下,而无法观察到芯材内部的流动情况;但透过Moldex3D可视化平台,便可有效解决这项难题。清大团队期望藉由此模拟技术被广泛应用于风电和汽车等复合材料产业,有效的协助厂商缩短优化周期。


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