基于PAM-RTM的復(fù)合材料電池箱上蓋板CRTM工藝填充仿真

高猛，程從前，孟憲明，曹鐵山，趙杰

[1.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116024；2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300300]

電池包系統(tǒng)作為新能源汽車中最重要的部件之一，占據(jù)電動(dòng)汽車整車質(zhì)量的18%～30%，減輕電池包質(zhì)量成為提高汽車?yán)m(xù)航能力、實(shí)施汽車輕量化技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)作為一種輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度材料，將成為電池包輕量化技術(shù)中電池箱蓋板的主要材料[3-4]。然而，由于電池包CFRP具有成本高、脆性大等特點(diǎn)，如何經(jīng)濟(jì)、安全可靠地制造電池包殼體成為CFRP應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。典型的電池包CFRP成型技術(shù)為樹脂傳遞模塑成型(RTM)技術(shù)和壓縮樹脂傳遞模塑成型(CRTM)技術(shù)。CRTM工藝是在RTM工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，適用于構(gòu)架簡(jiǎn)單大型薄壁件的生產(chǎn)。CRTM工藝在起始注膠階段保持模具部分閉合，使得纖維增強(qiáng)體與模壁間存在間隙，從而增大了初始滲透率；同時(shí)由于動(dòng)?？蓧嚎s，CRTM工藝能夠有效克服樹脂流動(dòng)阻抗大的問題，可增加制品纖維含量并顯著降低成型周期，在汽車輕量化領(lǐng)域市場(chǎng)潛力巨大[5]。

CRTM工藝的樹脂流動(dòng)過程相較于傳統(tǒng)RTM更為復(fù)雜，因?yàn)樵谧⒛z階段，樹脂優(yōu)先通過間隙流動(dòng)，同時(shí)也會(huì)浸潤(rùn)預(yù)制件[6]。注膠階段結(jié)束時(shí)的樹脂分布決定了壓縮階段的流動(dòng)情況，從而決定了最終制件的質(zhì)量、壓縮材料所需的力和總成型時(shí)間[7]。Chang等[8]采用流動(dòng)可視化方法對(duì)CRTM工藝中的樹脂填充過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明在制件最終孔隙率較低的情況下，CRTM與RTM相比可顯著縮短充模時(shí)間，并且在纖維墊與模壁間隙體積填充至85%～90%時(shí)閉合模具，可使得填充時(shí)間最小化。

CRTM工藝的模具壓縮可通過速度控制或力控制來實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[9]至文獻(xiàn)[11]論述了速度控制CRTM填充過程的數(shù)值模擬。Merotte等[12]通過對(duì)力控制CRTM的建模分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明施加不當(dāng)?shù)膲嚎s力會(huì)導(dǎo)致制品出現(xiàn)干斑等缺陷，同時(shí)，對(duì)于給定的纖維體積分?jǐn)?shù)，對(duì)應(yīng)有最佳的壓縮作用力。為了能最大限度地縮短成型時(shí)間，同時(shí)確保完全填充，必須優(yōu)化注膠策略和工藝參數(shù)。數(shù)值模擬方法可以幫助減少實(shí)驗(yàn)研究耗時(shí)、降低成本，因而其應(yīng)用越來越廣泛[13-14]。PAM-RTM軟件是專門針對(duì)RTM，CRTM等液態(tài)成型工藝開發(fā)的模擬仿真軟件，樹脂充模過程采用達(dá)西定律分析求解，操作簡(jiǎn)便，計(jì)算精度高[15]。

筆者基于PAM-RTM軟件，對(duì)電池箱上蓋板的CRTM工藝填充成型進(jìn)行了仿真模擬，在選定合適的注膠方案后，分析了樹脂黏度和模具壓縮速度對(duì)CRTM充模時(shí)間的影響規(guī)律。研究了CRTM與RTM工藝在恒壓注膠和恒流量注膠條件下的成型特點(diǎn)，對(duì)比分析了兩種工藝的填充時(shí)間及壓力分布，同時(shí)，研究了兩種工藝在成型不同目標(biāo)纖維含量制品時(shí)填充時(shí)間的變化。

1 CRTM工藝樹脂充模理論基礎(chǔ)

樹脂在充模時(shí)，相較于注膠壓力，流體的表面張力和對(duì)纖維的粘附力可以忽略不計(jì)，樹脂流經(jīng)纖維增強(qiáng)體的過程可描述為牛頓流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)[16-18]。由達(dá)西定律可知，流體速度與壓力梯度成正比，與樹脂黏度成反比，如式(1)所示。

式中：V→——速度張量；

μ——樹脂黏度；

K——滲透率張量；

P——壓力。

為保持樹脂質(zhì)量平衡，速度場(chǎng)需滿足散度條件，如式(2)所示。

聯(lián)立式(1)和式(2)，可得：

通常假定樹脂和纖維不可壓縮，連續(xù)方程可表示為：

式中：?——孔隙度；

最終，達(dá)西方程可如式(5)表示，也稱為統(tǒng)一達(dá)西方程。

式中：ε——纖維床的無限小變形。

2 CRTM工藝填充仿真

2.1 幾何模型與材料參數(shù)

通過Catia建立電池箱上蓋板有限元模型，模型尺寸為900 mm×700 mm×2 mm。將建好的模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格類型為二維面網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為50 807，節(jié)點(diǎn)數(shù)為25 734。電池箱上蓋板模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 電池箱上蓋板有限元模型及網(wǎng)格劃分

CRTM工藝充模過程中的主要材料及工藝參數(shù)見表1。其中，纖維預(yù)成型體的滲透率為各向同性滲透率，模具壓縮過程中纖維滲透率是纖維含量的函數(shù)，滲透率與纖維含量的關(guān)系曲線如圖2所示。

表1 材料及工藝基本參數(shù)

圖2 滲透率-纖維含量關(guān)系曲線

2.2 注膠方案

將劃分完網(wǎng)格的有限元模型導(dǎo)入PAM-RTM軟件中，設(shè)置好材料參數(shù)和邊界條件，采用圖3所示的3種注膠方案進(jìn)行模擬計(jì)算。其中，方案1為中心注膠，四角出膠；方案2為上端注膠，下端出膠；方案3為左端注膠，右端出膠。

圖3 注膠方案示意圖

不同方案下的樹脂充模時(shí)間見表2。表2結(jié)果顯示三種方案的填充時(shí)間相差不大。根據(jù)流程最短原則，即盡量使樹脂在模腔內(nèi)的流動(dòng)距離最短，以減小壓力損失，使樹脂能更好地浸潤(rùn)纖維預(yù)成型體，從而減少干斑等缺陷的產(chǎn)生，后續(xù)模擬選取第1種注膠方案，即中心注膠，四角出膠方案。

表2 注膠方案與充模時(shí)間

圖4為采用方案1時(shí)在不同填充時(shí)刻的樹脂流動(dòng)前沿圖。為便于后續(xù)對(duì)成型工藝的填充壓力進(jìn)行分析，以注膠孔右側(cè)邊緣處為起始點(diǎn)，等距設(shè)置3個(gè)壓力傳感點(diǎn)，分別標(biāo)記為a點(diǎn)、b點(diǎn)、c點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)間距為100 mm。

圖4 采用方案1時(shí)在不同填充時(shí)刻t的樹脂流動(dòng)填充圖

2.3 典型工藝參數(shù)的影響

樹脂注膠溫度和模具壓縮速度是CRTM工藝過程中的兩個(gè)重要參數(shù)。溫度的變化會(huì)引起樹脂黏度的改變，從而影響填充時(shí)間；模具壓縮速度的調(diào)整并不會(huì)對(duì)樹脂注膠時(shí)間產(chǎn)生影響，但會(huì)顯著影響壓縮階段時(shí)間。圖5為采用CRTM工藝時(shí)填充時(shí)間在不同樹脂黏度和模具壓縮速度下的變化趨勢(shì)。

由圖5a可知，隨著樹脂黏度的升高，CRTM工藝下的填充時(shí)間增大，兩者間存在線性關(guān)系。較低黏度的樹脂具有更好的流動(dòng)性，樹脂能夠快速浸潤(rùn)纖維預(yù)成型體內(nèi)部，從而提高填充效率，因此低黏度樹脂的工藝適應(yīng)性更強(qiáng)；樹脂黏度較高時(shí)，纖維間樹脂流動(dòng)緩慢，樹脂內(nèi)裹挾的氣泡不易排出，影響產(chǎn)品質(zhì)量。有研究表明[19]，樹脂黏度會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響：樹脂黏度越高，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度越高，而拉伸強(qiáng)度越低。因此對(duì)于樹脂黏度的選擇，在保證填充效率的同時(shí)，也要考慮制品的力學(xué)性能需求。

由圖5b可知，CRTM工藝下的填充時(shí)間與模具壓縮速度成反比關(guān)系。當(dāng)壓縮速度較小(小于1 mm/min)時(shí)，充模時(shí)間變化比較明顯，當(dāng)壓縮速度較大時(shí)，壓縮速度變化對(duì)充模時(shí)間影響不大。在樹脂注膠壓力較低的情況下，注膠階段時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)可以適當(dāng)增大模具壓縮速度來減小壓縮階段時(shí)間，從而縮短總的填充時(shí)間。

圖5 采用CRTM工藝時(shí)不同樹脂黏度和模具壓縮速度下的填充時(shí)間

3 CRTM與RTM工藝仿真對(duì)比

3.1 兩種注膠工藝的填充時(shí)間和壓力對(duì)比

復(fù)合材料成型工藝種類眾多，但其注膠方式一般都會(huì)采用恒定壓力注膠或恒定流量注膠。注膠方式的差異會(huì)導(dǎo)致制件在充模過程中的壓力分布發(fā)生變化，從而影響成型周期。為研究CRTM與RTM工藝在兩種注膠方式下的成型特點(diǎn)，將CRTM工藝下的壓縮速度設(shè)定為2 mm/min，保持其它參數(shù)相同，分析比較兩種工藝在不同的壓力梯度與流量梯度下的填充時(shí)間和壓力變化。

兩種工藝在不同注膠方式下的填充時(shí)間對(duì)比見表3和表4。其中，RTM的樹脂注入結(jié)束即代表填充完成，而CRTM的填充包括樹脂注膠階段和模具壓縮階段，總的填充時(shí)間為兩個(gè)階段時(shí)間之和。

表4 兩種成型工藝在恒流量注膠條件下的填充時(shí)間對(duì)比

由表3可知，隨著注膠壓力由0.02 MPa增大至0.5 MPa，RTM的填充時(shí)間從910.7 s顯著縮短至36.4 s，而CRTM則是從87.2 s降至60.6 s，變化幅度很小。壓力的變化只會(huì)改變CRTM的注膠時(shí)間，而壓縮時(shí)間始終恒定為59.5 s，并且由于采用CRTM注入樹脂時(shí)模具未完全閉合，注膠過程可以在很短時(shí)間內(nèi)完成。注膠壓力越低，兩種工藝的填充時(shí)間相差越大，CRTM縮短填充時(shí)間的效果越顯著。當(dāng)壓力增大到一定程度之后，RTM的填充時(shí)間更短，因?yàn)镽TM的注膠時(shí)間已經(jīng)小于CRTM的壓縮時(shí)間，此時(shí)適當(dāng)增大壓縮速度，仍可使CRTM填充時(shí)間少于RTM?？梢酝ㄟ^增大壓縮速度來實(shí)現(xiàn)成型周期的縮短，這是CRTM相較于RTM的一大優(yōu)勢(shì)。

表3 兩種成型工藝在恒壓注膠條件下的填充時(shí)間對(duì)比

在工藝仿真過程中，RTM工藝的樹脂注入量結(jié)果會(huì)作為CRTM工藝的樹脂注入量參數(shù)。為了保證完全填充，CRTM工藝在設(shè)定樹脂注入量時(shí)，輸入的參數(shù)會(huì)稍大一些，因此當(dāng)采用恒定流量的方式注膠時(shí)，CRTM工藝的注膠時(shí)間稍長(zhǎng)于RTM(表4)。由于在恒流量注膠的條件下，兩種工藝在一定時(shí)間內(nèi)注膠的樹脂量相同，因而填充時(shí)間差別相對(duì)較小，尤其是當(dāng)CRTM工藝壓縮速度進(jìn)一步增大時(shí)，兩種工藝的填充時(shí)間會(huì)更接近。兩種工藝在不同注膠方式下所呈現(xiàn)出的填充時(shí)間的差別，本質(zhì)上是由于填充過程中壓力分布的不同而導(dǎo)致的。圖6顯示了兩種工藝在0.2 MPa恒壓注膠和1 000 mL/min恒流量注膠條件下的壓力變化曲線。

由圖6a和圖6b可知，在恒壓注膠過程中，兩種工藝的注膠口(a點(diǎn))壓力在注膠階段保持不變，隨著傳感點(diǎn)與注膠口距離的增大，壓力均逐漸減小，流動(dòng)前沿推進(jìn)的同時(shí)伴隨著壓力損失，表現(xiàn)出明顯的壓力梯度分布。CRTM工藝在注膠階段和壓縮階段的壓力變化界限較為明顯，壓縮初始階段壓力變化平緩，壓力值較低；隨著壓縮的進(jìn)行，纖維增強(qiáng)體愈發(fā)致密，滲透率下降，將樹脂擠入纖維增強(qiáng)體所需的力逐漸增大。至壓縮階段后期，各點(diǎn)壓力變化曲線趨于一致，壓縮壓力急劇增大并超過注膠壓力，壓縮結(jié)束時(shí)刻壓力值達(dá)到最大，為0.31 MPa。

圖6 兩種工藝在0.2 MPa恒壓注膠和1 000 mL/min恒流量注膠條件下的壓力變化曲線

由圖6c和圖6d可知，在恒流量注膠過程中，CRTM工藝由于型腔存在間隙，因而注膠階段壓力值較小。由于模具壓縮速度未發(fā)生變化，CRTM工藝在采用不同的方式注膠時(shí)，壓縮階段的壓力值及變化趨勢(shì)也保持不變。RTM工藝由于其閉模注膠的特點(diǎn)，注膠口壓力值在注膠初始時(shí)刻即急劇增大，隨著填充的進(jìn)行，打入等量樹脂所需的壓力越來越大，在填充結(jié)束時(shí)刻其注膠口壓力值達(dá)到最大，為0.71 MPa。在恒流量注膠條件下，雖然兩種工藝的充模時(shí)間差距相對(duì)較小，但兩者的壓力變化對(duì)比更為明顯，RTM工藝在整個(gè)填充過程中的壓力值顯著高于CRTM，因此對(duì)設(shè)備的鎖模力要求更高。

3.2 纖維含量的影響

在成型纖維含量高(纖維體積分?jǐn)?shù)大于40%)的復(fù)合材料制品時(shí)，采用傳統(tǒng)的RTM工藝遇到的兩個(gè)重要問題是填充時(shí)間過長(zhǎng)和纖維增強(qiáng)預(yù)成型體的潤(rùn)濕性差，而采用CRTM工藝可解決這兩個(gè)問題[20]。表5為CRTM和RTM工藝在成型不同目標(biāo)纖維含量制品時(shí)的填充時(shí)間對(duì)比。其中，樹脂注膠方式采用恒壓注膠，注膠壓力為0.2 MPa，CRTM壓縮速度為2 mm/min，其它工藝參數(shù)保持相同。

表5 兩種工藝在成型不同目標(biāo)纖維含量制品時(shí)的填充時(shí)間對(duì)比

由表5可知，隨著制品目標(biāo)纖維含量的增加，CRTM工藝總的填充時(shí)間變化不大，平均填充時(shí)間為62.8 s；相比之下，RTM工藝填充時(shí)間則顯著增加。當(dāng)目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，RTM與CRTM的填充時(shí)間之比為0.7，而當(dāng)目標(biāo)纖維體積分?jǐn)?shù)提高到60%時(shí)，填充時(shí)間比值增大為3.2。CRTM工藝的加工方式有利于模腔內(nèi)的樹脂流動(dòng)，使得樹脂更易浸漬纖維預(yù)成型體，從而提高復(fù)合材料纖維含量和質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)在3種注膠方案充模時(shí)間相近的情況下，根據(jù)流程最短原則選定了中心注膠、四角出膠的方案。模擬結(jié)果表明，CRTM充模時(shí)間隨著樹脂黏度升高而線性增大；充模時(shí)間與模具壓縮速度成反比關(guān)系，當(dāng)模具的壓縮速度較小(小于1 mm/min)時(shí)，充模時(shí)間變化比較明顯，當(dāng)壓縮速度較大時(shí)，對(duì)充模時(shí)間影響不大。

(2)在恒壓注膠條件下，壓力變化對(duì)CRTM填充時(shí)間的影響較小，對(duì)RTM填充時(shí)間的影響則十分顯著，注膠壓力越低，CRTM縮短填充時(shí)間的效果越明顯；在恒流量注膠條件下，兩種工藝的充模時(shí)間差距相對(duì)較小，但RTM工藝在整個(gè)填充過程中的壓力值顯著高于CRTM。兩種工藝在注入樹脂時(shí)均有明顯的壓力梯度分布，注膠壓力或流量的改變不影響CRTM壓縮階段的壓力變化。

(3)在成型不同目標(biāo)纖維含量的制品時(shí)，CRTM工藝總的填充時(shí)間變化不大，RTM工藝的填充時(shí)間則會(huì)隨目標(biāo)纖維含量的提高而顯著增加。