Введение

Ужесточение требований к эффективности летательных аппаратов приводит к росту требований к материалам. Высокий уровень современной авиакосмической техники связан во многом с применением конструкционных, в том числе и полимерных, композиционных материалов (ПКМ), которые обладают высокой надежностью, весовой эффективностью, хорошими технологическими и эксплуатационными свойствами.

Одним из основных преимуществ ПКМ является то, что материал, технология и конструкция создаются одновременно, – этим определяется высокая степень инноваций на всех этапах жизненного цикла материала. Это требует применения новых подходов к проектированию и созданию конструкций из ПКМ на основе сложных математических моделей, в результате использования которых появляется возможность спрогнозировать не только свойства ПКМ и конструкций из них, но и возможное образование дефектов формования [1–4].

Актуальной задачей является разработка технологий, позволяющих снизить стоимость изготовления композиционных материалов путем исключения необходимости использования автоклавного оборудования и изготовления препрега.

Альтернативой препрегово-автоклавной технологии и технологии контактного формования являются процессы, совмещающие операции пропитки наполнителя связующим и формования детали, что приводит к сокращению продолжительности производства и удешевлению технологии.

К таким процессам относят технологии пропитки под давлением (Resin Transfer Modeling – RTM), инфузионной пропитки под вакуумом (Vacuum Infusion – VARTM) и пропитки пленочным связующим (Resin Film Infusion – RFI).

Альтернативной технологией формования ПКМ в настоящее время является технология вакуумной инфузии. Точность воспроизведения теоретического контура композиционных панелей, изготавливаемых методом инфузии, определяется формой оснастки, на которой осуществляются пропитка и выкладка. Основная проблема технологии вакуумной инфузии заключается в трудности получения детали со стабильными геометрическими и физико-механическими характеристиками [5–14].

Материалы и методы

Основные процессы, которые протекают при инфузии и должны учитываться при моделировании, можно разделить на несколько категорий: реология процесса, термическая составляющая, химия процесса. К реологической категории относится движение связующего через среду наполнителя с учетом проницаемости, а также изменение вязкости связующего.

Теплофизика процесса формования включает в себя учет теплопроводности оснастки, теплоемкости и теплопроводности компонентов ПКМ, конвекции тепла от одной области изделия к другой с помощью движущейся среды, в данном случае связующего. При определении химической составляющей должны быть учтены диффузия и полимеризация в процессе формования.

С учетом процессов, протекающих при формовании инфузионными методами, определены требования, предъявляемые к исходным данным, для реализации компьютерного моделирования в программе PAM-RTM. К ним относятся характеристики связующего и наполнителя: физические, реологические, теплофизические; для наполнителя – градиент проницаемости, плотность, теплоемкость и теплопроводность, поверхностная площадь, а также начальная толщина преформы; для связующего – функция вязкости от температуры, теплоемкость и теплопроводность, плотность. Для наполнителя необходимо учитывать изменение проницаемости в результате процесса предварительной формовки и связанное с этим смещение его волокон относительно первоначального положения [15, 16].

Моделирование процесса инфузии сводится к решению задач гидродинамики и теплообмена. Решение задачи гидродинамики при моделировании описывается законом Дарси, определяющим расход однородной жидкости через пористую среду при ламинарном режиме потока. Основой для выполнения закона Дарси является обеспечение закона сохранения масс. Поскольку масса связующего в выделенном объеме со временем не меняется, то полный поток этого вектора через замкнутую поверхность обязательно равен нулю [17].

Если выделить элементарный объем с фиксированными координатами, то появляется возможность реализовать подход Эйлера к описанию сплошной среды. При этом можно наблюдать за изменениями в этом объеме, связанными с протеканием через выделенный объем все новых и новых частиц. Такой подход отличается от приема, предложенного Лагранжем, который предлагает выделять элементарный объем в пространстве и следить за частицами объема, двигаясь вместе с ними. В данном случае выполняется стационарное уравнение неразрывности потока – одно из основных уравнений динамики сплошной среды.

Параметрами, влияющими на процесс инфузии, являются проницаемость наполнителя, вязкость связующего, градиент давления. Чем больше проницаемость наполнителя и скорость подачи связующего, тем быстрее пройдет полная пропитка армирующего материала. Вязкость связующего оказывает обратное влияние на процесс [18–20].

Результаты и обсуждение

Рассмотрим, какие исходные данные требуются для моделирования процессов пропитки при изготовлении композитов инфузионными методами формования (такими как вакуумная инфузия, RTM, RFI) в программах CAE-анализа.

По связующему

– объемное содержание в ПКМ – V_m;

– вязкость:

– постоянная вязкость – µ=const;

– изменение вязкости во времени – µ=f(t) – для стадии пропитки;

– изменение вязкости при температуре – µ=f(T) – для стадии отверждения.

По армирующему наполнителю

– объемное содержание в ПКМ – V_f;

– проницаемость пакета наполнителя – коэффициент проницаемости в направлении:

– основы – K₁;

– утка – K₂;

– в трансверсальном направлении – K₃;

– поверхностная плотность;

– диаметр филамента углеродного жгута.

По распределительной сетке с повышенной фильтруемостью

– коэффициент проницаемости в направлении основы и утка – K_dm.

По геометрии образца

– оболочечная или трехмерная CAD-модель с разбивкой на конечные прямоугольные и/или треугольные элементы.

Требования к геометрии образцов при моделировании

2,5D – для моделирования ПКМ на поверхностных моделях, которые представляют собой срединные поверхности с эквивалентными свойствами. Недостатком данного подхода является невозможность определения объемных эффектов – например, пористости по толщине композиционного материала.

Для возможности наблюдения объемных особенностей по толщине необходимо использовать 2D-модели, позволяющие моделировать поперечное сечение композиционного материала с учетом свойств каждого композитного слоя или их групп (при их большом количестве).

Для моделирования полной объемной картины ПКМ рекомендуется использовать 3D расчет [21].

В данном расчете образец размером 500×800 мм представлен оболочечной CAD-моделью с разбивкой на конечные треугольные элементы. Геометрия образца задана в программе SolidEdge и импортирована в формате igs в программу FisualMesh, где для нее была создана сетка из конечных элементов для дальнейшей имитации процесса с заданными граничными условиями, в том числе точки расположения портов подачи связующего и вакуумирования (рис. 1).

При определении исходных данных с целью моделирования процесса инфузии для углепластика на основе эпоксидного связующего и равнопрочной углеродной ткани Tenax-E Style 450 использовано связующее ВСЭ-21, пригодное для изготовления композиционных материалов с углеродными, стеклянными и органическими волокнистыми наполнителями. Проведены исследования физических (плотность) и реологических свойств связующего (рис. 2), установлено, что при плотности связующего 1,25 г/см³ и температуре 60°С вязкость эпоксидного связующего ВСЭ-21 будет оптимальной, так как не происходит преждевременной полимеризации связующего, и свойства сохраняются в течение 170 мин (2 ч 50 мин), соответственно продолжительность пропитки пакета должна быть меньше этого времени, что необходимо учитывать при моделировании в программе CAE-анализа PAM-RTM c использованием метода конечных элементов.

Рисунок 1. Точки инжекции на FEM-модели (схема 1)

Рисунок 2. Зависимость изменения вязкости эпоксидного связующего ВСЭ-21

от продолжительности выдержки при температуре 60°С

Кроме того, для формирования исходных данных при моделировании процесса изготовления инфузионным методом углепластика на основе связующего ВСЭ-21 и равнопрочной углеродной ткани исследованы фильтрационные характеристики углеродного равнопрочного наполнителя Tenax-E Style 450. Установлено, что коэффициент абсолютной жидкостной проницаемости в направлении основы и утка K=4,2·10^-11 м², так как ткань равнопрочная (K₁=K₂), т. е. разницей проницаемости в направлении основы и утка можно пренебречь. Поверхностная плотность составила 205 г/м².

С использованием исследованных характеристик ПКМ проведено моделирование процесса изготовления инфузионным методом углепластика на основе связующего ВСЭ-21 и наполнителя – равнопрочной углеродной ткани Tenax-E Style 450 – с учетом параметров технологии формования и исходных данных компонентов (вязкость связующего, проницаемость наполнителя).

Отметим, что изменение объемного содержания компонентов в ПКМ, габаритных размеров пакета, схемы армирования не влияет на температурно-временно́й режим отверждения связующего в процессе изготовления углепластика, но является критичным для стадии пропитки в процессе изготовления [18–20].

Таким образом, при моделировании и разработке информационной модели процесса изготовления ПКМ инфузионным методом основное внимание следует уделять процессу пропитки пакета наполнителя связующим.

При моделировании процесса пропитки пакета наполнителя размером 500×800 мм эпоксидным связующим ВСЭ-21 рассмотрена наиболее распространенная для вакуумной инфузии схема расположения точек инжекции для изготовления образца углепластика. В данной схеме связующее поступает в пакет для пропитки наполнителя через одну точку, расположенную на краю пакета, а отводится в ловушку с противоположной стороны.

Компьютерное моделирование осуществляли в программе PAM-RTM, в результате которого рассчитана продолжительность пропитки наполнителя с учетом реологии связующего и проницаемости армирующего наполнителя в пакете (рис. 3). При моделировании процесса пропитки пакета наполнителя связующим ВСЭ-21 по схеме 1 (с одноточечной подачей связующего) получены следующие результаты: объем связующего для пропитки 3,99·10^-4 м³; связующее, слившееся в ловушку, 1,13·10^-6 м³, продолжительность пропитки 1,29·10⁴ с (3 ч 58 мин).

Рисунок 3. Продолжительность пропитки наполнителя с одной точкой подачи связующего (схема 1)

При продолжительности пропитки наполнителя по данной схеме возможно образование дефектов типа непроклея в зоне выхода связующего в ловушку (так как продолжительность сохранения оптимальной вязкости эпоксидного связующего ВСЭ-21 составляет 2 ч 50 мин), что может привести к снижению физико-механических свойств углепластика.

Для устранения возможных дефектов типа непроклеев скорректированы параметры для оптимизации технологического процесса пропитки наполнителя связующим с целью сокращения времени инжекции [25–30].

После анализа распределения поля давлений при инжекции, выбрана схема подачи связующего с дополнительной точкой подачи в центре образца (рис. 4). При моделировании процесса пропитки пакета наполнителя связующим ВСЭ-21 с двухточечной схемой подачи связующего (схема 2) получены следующие результаты: продолжительность пропитки 4,78·10³ с (1 ч 33 мин); объем связующего для пропитки 4,05·10^-4 м³; связующее, слившееся в ловушку, 6,34·10^-6 м³.

Рисунок 4. Продолжительность пропитки наполнителя при двухточечной схеме

подачи связующего (схема 2)

Из распределения поля давлений видно, что оптимизация технологических параметров достигается в данном случае благодаря правильному расположению точек инжекции (рис. 5).

Рисунок 5. Распределение поля давлений по схеме 2

Пропитка наполнителя связующим ВСЭ-21 по предлагаемой схеме 2 с двумя точками подачи связующего в течение 1 ч 33 мин не приведет к образованию дефектов, что обеспечит получение ПКМ с высоким воспроизведением физико-механических свойств по всей площади пропитанного образца.

Заключение

По результатам моделирования процесса изготовления ПКМ методом вакуумной инфузии установлено, что применение компьютерной имитации позволяет определить продолжительность, требуемую для пропитки, объем связующего для инжекции, выбрать расположение точек подачи и отвода связующего, оптимизировать параметры технологического процесса, а также спрогнозировать возможное образование дефектов при формовании.