碳纖維葉片殼體真空灌注成型工藝仿真模擬

暴小娜，吳曉青*，吳海亮，江一杭，劉鮮紅，楊忠

（1.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387；2.東方電氣（天津）風(fēng)電葉片工程有限公司，天津 300387）

大型風(fēng)電葉片，因?yàn)殚L(zhǎng)度的增加，質(zhì)量相應(yīng)地增加，為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須要有一定的剛度。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)材料，不僅可以減輕葉片的質(zhì)量，還可以達(dá)到強(qiáng)度與剛度條件[1,2]。碳纖維多軸向經(jīng)編織物因其結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電葉片制作中，由于碳纖維價(jià)格較玻纖高，且樹(shù)脂不易浸漬，因此研究樹(shù)脂在碳纖維風(fēng)電葉片灌注過(guò)程十分重要。真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型（VARTM）工藝已經(jīng)被各風(fēng)電公司廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片中。人們對(duì)利用計(jì)算機(jī)模擬軟件來(lái)降低VARTM 工藝時(shí)間和成本給予越來(lái)越多的重視。對(duì)于設(shè)計(jì)模具合理化和工藝參數(shù)優(yōu)化的工作可以由計(jì)算機(jī)模擬仿真結(jié)果來(lái)進(jìn)行指導(dǎo)。

VARTM 工藝成型過(guò)程不僅和樹(shù)脂的粘度、制備過(guò)程的真空度和溫度等外在因素有關(guān)，還和預(yù)制件本身織物結(jié)構(gòu)的滲透性有關(guān)，這些因素都會(huì)影響樹(shù)脂的充模流動(dòng)和樹(shù)脂的固化。在風(fēng)電葉片中合理地設(shè)置灌注的進(jìn)膠口和出膠口的數(shù)量和位置，不只能夠節(jié)約樹(shù)脂的用量，還能夠提高生產(chǎn)的效率、減少成本、避免因?yàn)闃?shù)脂的流動(dòng)不均而產(chǎn)生的孔隙等缺陷[3]。因此，使用軟件來(lái)模擬和改良注射方案是十分有效的。而常用的通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)確定VARTM 的進(jìn)膠口和出膠口位置及個(gè)數(shù)，既消耗大量材料，又增加人力物力的成本[4-9]。湯揚(yáng)閣等[10]設(shè)置了不同注膠方式、導(dǎo)膠管間距的充模時(shí)間，分析了樹(shù)脂流動(dòng)形態(tài)和出膠口位置，優(yōu)化得到了最佳風(fēng)電葉片根部的注射方案。傅宏俊等[11]對(duì)VARI 制備高長(zhǎng)徑比復(fù)合材料過(guò)程中的樹(shù)脂流動(dòng)行為進(jìn)行模擬與實(shí)驗(yàn)研究，利用PAM-RTM 軟件模擬樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)程，討論了各工藝參數(shù)對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)的影響。陳吉平[12]等研究了線注射方式及端部注射的浸潤(rùn)效果和效率要好于點(diǎn)注射及梢部注射。

為了提高葉片殼體灌注效率、降低成產(chǎn)成本，本文采用仿真模擬有限元軟件對(duì)大型風(fēng)電葉片VARTM 工藝成型復(fù)合材料進(jìn)行流道設(shè)計(jì)和模擬，指導(dǎo)流道設(shè)計(jì)并優(yōu)化工藝參數(shù)，為成型工藝的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的制作提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

現(xiàn)在大多VARTM 充模模擬的數(shù)學(xué)模型是把流體當(dāng)作不可壓縮的、能在多孔介質(zhì)中流動(dòng)，是在 Fracchia 和 Bruschke 等基于Darcy定律和連續(xù)方程建立的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。

（1）連續(xù)方程

其中ux、uy、uz分別表示為x、y、z 三個(gè)方向的速度分量，m/s；t 為時(shí)間,s；ρ 為密度，kg/m3。

（2）Darcy 定律

v 表示為單位面積的體積流速，m/s；K 表示為滲透率的張量，m2；μ 表示為流體的黏度，Pa·s；表示為壓力梯度，Pa/m。滲透率是影響復(fù)合材料成型工藝的關(guān)鍵因素之一，表示了樹(shù)脂浸潤(rùn)織物的能力，與織物的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

樹(shù)脂的流動(dòng)在平面內(nèi)和厚度方向上流動(dòng)，所以把它看做三維結(jié)構(gòu)，三維流場(chǎng)上的達(dá)西定律為：

其中，u，v，w 為三個(gè)速度分量；Kij（ij=x，y，z）為笛卡爾坐標(biāo)系下滲透率分量。結(jié)合達(dá)西定律和連續(xù)方程，得到在VARI 充模過(guò)程中的基本控制方程：

其中nx，ny，nz是積分表面方向矢量分量。模擬軟件采用有限元控制體積的方法進(jìn)行求解。

2 風(fēng)電葉片VARTM 工藝模擬

2.1 織物滲透率測(cè)試

織物的滲透率是影響樹(shù)脂流動(dòng)浸漬的重要參數(shù)，因此對(duì)織物滲透率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，如圖1 所示，監(jiān)測(cè)透明玻璃模具的上、下樹(shù)脂流動(dòng)情況，記錄樹(shù)脂在恒定壓力的情況或恒定流速情況下對(duì)纖維織物實(shí)驗(yàn)材料在x，y，z 三個(gè)方向上的流動(dòng)狀態(tài)，依據(jù)樹(shù)脂前沿的位置和形狀得到織物主滲透率的比值，利用壓力傳感器測(cè)量注射口的壓力，代入到Darcy 定律中，求出三維滲透率Kx，Ky，Kz 的值，其中X 和Y 方向表示為面內(nèi)方向，Z 方向表示織物厚度方向。

圖1 織物滲透率測(cè)試裝置圖

2.2 模型的建立

在CATIA 軟件建立葉片迎風(fēng)面長(zhǎng)度為90m，最大弦長(zhǎng)（寬度）為5m 的風(fēng)電葉片殼體三維模型，如圖2。對(duì)風(fēng)電葉片殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選取等腰直角三角形，網(wǎng)格大小設(shè)置為100mm，如圖3 所示。由于葉片模型長(zhǎng)度較大為90m，因此網(wǎng)格劃分之后不明顯，圖中a 為局部網(wǎng)格放大的圖形。

圖2 葉片的迎風(fēng)面模型

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

由于風(fēng)電葉片外殼厚度不可以忽略，因此需要對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行修改，將有限元?jiǎng)澐趾玫娜~片殼體導(dǎo)入到PAM-RTM 軟件中，對(duì)其進(jìn)行編輯。

根據(jù)葉片殼體材料實(shí)際鋪覆情況，對(duì)殼體進(jìn)行鋪層，第一層為殼體蒙皮部分，簡(jiǎn)化為5mm，第二層從葉根處開(kāi)始鋪覆織物到4000mm 處，鋪覆厚度為25mm，從距離葉根前端4000mm，直至距離葉尖為1000mm 處，巴沙木厚度為40mm；第三層鋪覆殼體蒙皮織物，鋪覆厚度為5mm；最后在葉根部分增強(qiáng)，厚度為15mm。鋪層如圖4 所示。

圖4 葉片殼體的鋪層圖

2.3 材料屬性設(shè)置

本次模擬風(fēng)電葉片鋪層織物選用碳纖維雙軸向[+45°/-45°]鋪層的經(jīng)編織物，該織物的不滲透率由上節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法求出，在軟件中輸入相應(yīng)的參數(shù)如表1 所示。樹(shù)脂在巴沙木中不可滲透，只能通過(guò)巴沙木的小孔和矩形間隙流道來(lái)進(jìn)行流動(dòng)，得到巴沙木中流道的等效值，把所需要的參數(shù)在軟件中進(jìn)行輸入。本文中設(shè)定滲透率K1 的方向?yàn)閰⒖甲鴺?biāo)系X 軸方向，K2 方向與K1 方向正交，即為Y軸方向，K3 為厚度方向即Z 軸方向。

表1 參數(shù)設(shè)置

本次充模模擬采用樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂，粘度為0.26Pa·s，注射壓力為1 ×105Pa。將相關(guān)參數(shù)在處理器中進(jìn)行設(shè)置。

2.4 邊界條件設(shè)置

VARI 工藝制作10MW 風(fēng)電葉片通常采用流道注射的方式。因?yàn)楸疚娘L(fēng)電葉片尺寸較大，樹(shù)脂在風(fēng)電葉片橫向上流動(dòng)的變化比較平緩可以不考慮，因此其不會(huì)產(chǎn)生樹(shù)脂流動(dòng)速度不同而引起的樹(shù)脂固化不均勻的狀況，依據(jù)現(xiàn)有注膠方法結(jié)合實(shí)際葉片注膠經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)以下四種不同注膠方案。方案1 的設(shè)計(jì)情況為：在沿著葉根部分環(huán)向設(shè)置了一道注膠口，在葉片長(zhǎng)度方向的中線設(shè)置了注膠口，即在葉片中線上布注膠口；在葉片外形設(shè)計(jì)外圍兩條出膠口。方案2的設(shè)計(jì)情況為：在方案1 的基礎(chǔ)上，在葉片長(zhǎng)度方向設(shè)置了三條垂直于其長(zhǎng)度方向的注膠口，形成魚(yú)骨形注膠口。方案3 的設(shè)計(jì)情況為：在方案2 的基礎(chǔ)上，在葉根部分沿著環(huán)向設(shè)置了兩道注膠管道。方案4 的設(shè)計(jì)情況為：在方案3 的基礎(chǔ)上，增加了2 道垂直于葉片長(zhǎng)度方向的注膠口。模擬方案如圖5。

圖5 4 種方案的流道示意圖

2.5 VARTM 工藝充模模擬結(jié)果與分析

樹(shù)脂灌注葉片的時(shí)間云圖和灌注過(guò)程流動(dòng)前沿在不同的時(shí)刻的位置分布如圖6。樹(shù)脂灌注結(jié)果如表2。

圖6 4 種模擬結(jié)果時(shí)間云圖

表2 方案模擬結(jié)果

通過(guò)仿真模擬的結(jié)果和表2 可以看出：方案1 中，由于葉片殼體部分鋪覆了巴沙木，巴沙木的滲透率較高，樹(shù)脂在葉片殼體部分滲流較快，而葉根部分織物滲透率較小，雖然與葉片殼體部分總厚度相同，但是當(dāng)葉片殼體填充完時(shí)，葉根部分樹(shù)脂仍在流動(dòng)，因此整個(gè)注膠時(shí)間較長(zhǎng)。所以鋪層材料的滲透率對(duì)葉片充模時(shí)間影響非常大。

方案2 中，設(shè)置了3 條垂直于葉片長(zhǎng)度方向的流道，形成魚(yú)骨形流道，由于增加了樹(shù)脂的通道，因此，較方案1，樹(shù)脂填充時(shí)間減少1049s。這是因?yàn)樵黾恿藰?shù)脂流動(dòng)的流動(dòng)位置和數(shù)量，使得樹(shù)脂填充整個(gè)葉片的時(shí)間減少。

方案3 中，在葉根部分較于方案2 中增加了一條環(huán)向注膠口，樹(shù)脂填充時(shí)間減少1894s，這是因?yàn)槿~根部分滲透率小于葉片部分，樹(shù)脂不易填充，增加的環(huán)向注膠口提高了充模效率。因此，葉片的充模應(yīng)該盡可能地設(shè)置在葉片根部。

方案4 中，在垂直于葉片長(zhǎng)度方向增加了注膠管道，較方案3縮短了218s，縮短時(shí)間不明顯，這是因?yàn)槿~尖處，葉片較窄，垂直于長(zhǎng)度方向的注膠管道作用降低。

根據(jù)上述分析得出，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)風(fēng)電葉片殼體進(jìn)行鋪層，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂在葉根處浸漬緩慢，在葉片殼體流動(dòng)快。這是因?yàn)槿~片鋪層材料的滲透率影響樹(shù)脂充模時(shí)間，在葉片殼體中，巴沙木芯材滲透率高，使樹(shù)脂在該葉片殼體區(qū)域加速流動(dòng)。在葉片殼體設(shè)置魚(yú)骨形流道可以加速樹(shù)脂流動(dòng)，縮短浸漬時(shí)間。葉片的充模要盡可能地設(shè)置在葉片根部，以此減少在葉片中樹(shù)脂的流動(dòng)距離，進(jìn)而縮短充模時(shí)間。

3 結(jié)論

本文針對(duì)大型碳纖維風(fēng)電葉片樹(shù)脂灌注不充分的問(wèn)題，對(duì)樹(shù)脂浸漬葉片進(jìn)行了分析，設(shè)置了四種流道灌注方式，通過(guò)VARI 工藝模擬，節(jié)約了該型號(hào)風(fēng)電葉片研究的人力和時(shí)間成本。結(jié)果表明：（1）通過(guò)對(duì)風(fēng)電葉片的模擬仿真，得出鋪層材料的滲透率對(duì)葉片充模時(shí)間影響非常大。（2）隨著流道的增加形成的魚(yú)骨形流道，加速了樹(shù)脂的流動(dòng)，縮短了充模時(shí)間。（3）葉片的充模盡可能地設(shè)置在葉片根部，隨著葉根處流道的增加，兩條環(huán)向流道的設(shè)置，使充模的時(shí)間減少，減少了樹(shù)脂在葉片中的流動(dòng)距離，避免干斑等缺陷的產(chǎn)生。