1復(fù)合材料傳動(dòng)軸注射過(guò)程模擬

復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)軸根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為整體性和裝配型兩類。裝配型傳動(dòng)軸由于其工藝簡(jiǎn)單和力學(xué)性能良好而被廣泛應(yīng)用，本文直升機(jī)尾翼復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)采用的是裝配型的設(shè)計(jì)，并采用混合連接即同時(shí)使用膠連接和機(jī)械連接，其具有連接可靠性大大提高，疲勞強(qiáng)度提高，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外最廣泛采用的連接方式。本文復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)參數(shù)為：長(zhǎng)1600mm，外徑80mm，壁厚為4mm。

1.1數(shù)學(xué)模型在RTM工藝的模擬計(jì)算中，其數(shù)學(xué)模型假設(shè)制件中的增強(qiáng)材料為剛性體，樹脂為不可壓縮牛頓流體，其表面張力的影響也被忽略不計(jì)；由于模具的模腔的空隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于增強(qiáng)材料間的孔隙，故樹脂的流動(dòng)可以利用牛頓流體通過(guò)多孔介質(zhì)的達(dá)西定律來(lái)描述，其Darcy方程可寫成以下形式：其邊界條件為：在流動(dòng)的前沿，壓力值P=0；在注射口，常壓注塑時(shí)，壓力值P=P0，常流率注射時(shí)V=V0；在模具壁處，。

1.2注射過(guò)程模擬應(yīng)用的RTM仿真軟件為Polyworx公司的RTM-Worx，其是樹脂注射工藝領(lǐng)域內(nèi)具有世界領(lǐng)先地位的數(shù)字化仿真分析軟件。目前，RTM-Worx已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在世界各地的航空、航天、材料加工、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等各個(gè)行業(yè)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。RTM成型工藝中，工藝參數(shù)如注膠口、注射溫度、注射壓力、樹脂的性能、真空輔助成型時(shí)的真空度的大小、排氣口的位置和纖維含量和結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響到復(fù)合材料產(chǎn)品的性能。因此使用該軟件進(jìn)行注射過(guò)程的仿真分析，可合理地確定注膠口、注射溫度、注射壓力和溢料口，從而大大提高模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，為模具設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考，降低模具設(shè)計(jì)的成本。還可估計(jì)注射的時(shí)間，合理確定各個(gè)工藝參數(shù)，再進(jìn)行小量試驗(yàn)就可以得到高性能的產(chǎn)品。

由于在RTM產(chǎn)品中，模具的設(shè)計(jì)和制造對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程具有非常重要的影響，為了設(shè)計(jì)出合理的模具，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)是不夠的，因此RTM產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，為了確定和優(yōu)化注射過(guò)程中的工藝參數(shù)，必須在RTM工藝仿真軟件中對(duì)產(chǎn)品的注射過(guò)程進(jìn)行模擬。這樣，通過(guò)對(duì)注射過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，可得到很多對(duì)模具設(shè)計(jì)和制造有用的數(shù)據(jù)，則可以對(duì)可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)并制定改進(jìn)方案，故勢(shì)必降低模具設(shè)計(jì)的成本，提高模具的效率和質(zhì)量。

復(fù)合材料傳動(dòng)軸在RTM-Worx中有限元模型如圖1所示。復(fù)合材料傳動(dòng)軸的RTM-Worx注射過(guò)程壓力變化如圖2所示。充模結(jié)束后，采用顏色漸變來(lái)顯示填充時(shí)間的變化，如圖3所示；RTM-Worx還支持多項(xiàng)結(jié)果同時(shí)顯示，圖4是填充時(shí)間和填充壓力共同經(jīng)分析與比較確定了注塑過(guò)程的最佳工藝方案為：注膠口放在傳動(dòng)軸的一端，溢料口放在另一端，注射壓力P=0.1MPa，樹脂粘度為η=10Pa•s。模擬的注射時(shí)間如圖3所示為50.7s。

2復(fù)合材料傳動(dòng)軸的模具設(shè)計(jì)

2.1模具設(shè)計(jì)的要求RTM工藝中模具的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用和功能齊全的原則。模具的設(shè)計(jì)受到諸多因素的影響，主要需要滿足以下要求：①模具材料應(yīng)該具有良好的機(jī)械和熱學(xué)性能。②為了保證RTM產(chǎn)品的尺寸準(zhǔn)確，模具的加工精度必須得到保證。③模具中注膠口和出膠口應(yīng)該合理配置。④模具應(yīng)具有準(zhǔn)確的定位結(jié)構(gòu)；⑤如果需要，模具應(yīng)該具有供熱和冷卻裝置。⑥為保證模具內(nèi)部的壓力與真空度及防止樹脂泄漏，模具應(yīng)具有完善的密封結(jié)構(gòu)。⑦RTM模具的制造成本一般較高，故設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能降低模具的成本。

2.2模具材料的選擇制造RTM模具的材料很多，例如鑄鐵、碳鋼、復(fù)合材料和鋁等。模具材料的選擇一般取決于模具的數(shù)量、使用壽命、產(chǎn)品精度和樹脂的種類等因素，而且必須具有以下的機(jī)械和熱學(xué)性能：較佳的耐腐蝕性能，較好的機(jī)械加工、焊接、表面拋光等性能，較高的抗張強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等，較好的熱學(xué)性能。本文復(fù)合材料的傳動(dòng)軸采用T300的碳纖維作為增強(qiáng)體，樹脂使用的是中溫固化的環(huán)氧樹脂。由于熱作模具鋼ZG5CrNiMo與碳纖維預(yù)浸料的熱膨脹系數(shù)最為相近，模具材料選用的是模具鋼ZG5CrNiMo。

2.3型芯的設(shè)計(jì)考慮到模具的制造成本和重量，型芯材料為45鋼，形狀為空心軸，兩端配合連接端以備型芯的定位，空心軸與兩端的連接端以膠連接的方式連接。型芯的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4模具分型面設(shè)計(jì)模具分型面的設(shè)計(jì)必須考慮模具機(jī)械加工的難度以及費(fèi)用的高低、產(chǎn)品的精度、操作的便利性和模具的重量等因素。本文的復(fù)合材料傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，故采用對(duì)稱的方式由上下兩個(gè)陰模組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.5注膠口和出膠口位置設(shè)計(jì)RTM模具的注膠口和出膠口的位置直接影響到產(chǎn)品的空隙含量，而空隙含量的多少直接影響到產(chǎn)品的性能，故其位置非常重要，為了降低空隙含量，生產(chǎn)上廣泛采用在模具設(shè)置排氣孔及抽真空技術(shù)。本文綜合考慮了注射時(shí)間、空隙含量和模具的復(fù)雜度，將注膠口和出膠口分別放在模具的兩端，其直徑約為8mm。具體設(shè)計(jì)如圖7所示。由于模具為長(zhǎng)方形，故在注膠口和出膠口設(shè)置一個(gè)圓形的環(huán)槽，目的是為了樹脂在流動(dòng)的過(guò)程中能平行地向前流動(dòng)，使增強(qiáng)材料得到均勻浸潤(rùn)，產(chǎn)品性能分散性小。如果不設(shè)置樹脂流動(dòng)的環(huán)形槽，在樹脂流動(dòng)的過(guò)程中會(huì)形成三角流動(dòng)，出現(xiàn)浸潤(rùn)的死角，使樹脂的浸潤(rùn)不充分，嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能。環(huán)形槽的設(shè)計(jì)如圖8所示。

2.6模具的密封設(shè)計(jì)為了防止樹脂的溢出和保證模具內(nèi)部的真空度，上下模之間和兩端的封蓋之間都采用O形密封圈密封，密封槽的大小取決于模具的尺寸的大小，本文取密封槽的寬度為10mm，為了減輕樹脂沿邊部流動(dòng)、降低夾緊力，應(yīng)使密封槽盡量靠近模具的內(nèi)邊。

2.7模具裝配圖復(fù)合材料傳動(dòng)軸模具的裝配剖面如圖9所示。由圖示可知，環(huán)形槽的作用除了有使樹脂均勻流動(dòng)的作用外，當(dāng)卸除型芯時(shí)，其所形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)可以作為卸除型芯的輔助裝置，其設(shè)計(jì)合理。此模具已經(jīng)完成生產(chǎn)，并進(jìn)行了注塑試驗(yàn)，取得了良好效果。

2.8復(fù)合材料傳動(dòng)軸的制備采用前文RTM-Worx模擬優(yōu)化的工藝方案和設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行了復(fù)合材料傳動(dòng)軸的實(shí)際充模制造，所制備的復(fù)合材料傳動(dòng)軸的內(nèi)外壁表面光滑平整，纖維浸漬完全，沒(méi)有明顯的缺陷，如圖10所示，且實(shí)際充模時(shí)間為1min左右，與模擬結(jié)果吻合得較好。

3結(jié)果與分析

所設(shè)計(jì)的直升機(jī)尾翼傳動(dòng)軸傳遞的最大功率430kW，工作轉(zhuǎn)速為3009r/min。直升機(jī)尾翼傳動(dòng)軸在工作中只承受扭矩作用，在強(qiáng)度計(jì)算中截面的最大工作應(yīng)力必須保證小于復(fù)合材料的強(qiáng)度極限。把傳動(dòng)軸傳遞的最大功率、工作轉(zhuǎn)速、外徑和內(nèi)徑代入公式(5)、(6)、(7)中，可得傳動(dòng)軸承受最大剪切應(yīng)力為39.19MPa，通過(guò)試驗(yàn)得到制備的傳動(dòng)軸的剪切應(yīng)力為52.6MPa，由以上數(shù)據(jù)可得制備的傳動(dòng)軸滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

在復(fù)合材料制品中，模具的設(shè)計(jì)和制造對(duì)制品的質(zhì)量起著決定性的作用。為了設(shè)計(jì)出合理的模具，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)是不夠的，本文利用RTM-Worx軟件對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的充模過(guò)程進(jìn)行了模擬，合理優(yōu)化RTM工藝參數(shù)。并基于數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)模具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)和優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬的結(jié)果和實(shí)際充模的結(jié)果基本吻合，制備的傳動(dòng)軸的性能也達(dá)到要求，以此提高直升機(jī)尾翼傳動(dòng)軸的性能，并間接降低了直升機(jī)的質(zhì)量和提高了直升機(jī)的整體性能。