МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНОЙ ИНФУЗИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Аннотация
Представлена технология компьютерного моделирования процесса вакуумной инфу-
зии в производстве крупногабаритных полимеркомпозитных конструкций, привлекающего
все большее внимание при производстве летательных аппаратов, благодаря простоте
реализации и относительно низкой стоимости подготовки производства. Трудность про-
мышленной реализации процесса и обеспечения требуемого качества обусловлена его высо-
кой чувствительностью к режимам - температуре, вакуумному давлению и схеме распо-
ложения портов вакуума и инжекции связующего. Цель разработанной методики компью-
терного моделирования процесса с возможностью его последующей оптимизации состоит
в исключении используемого в настоящее время длительного и весьма дорогостоящего ме-
тода проб и ошибок при отработке технологии. Предлагаемая математическая модельпроцесса, связывающая уравнение фазового поля, реконструирующего границу раздела свя-
зующего и вакуумированной области преформы, уравнения Ричардса движения вязкой
жидкости в ненасыщенной пористой среде, термокинетики связующего и теплопроводно-
сти реализована в среде конечноэлементного пакета. Компьютерная реализация модели
обеспечивают точную реконструкцию динамики фронта распространения связующего в
пористой преформе, возможность возникновения и локализацию непропитанных зон фор-
муемой конструкции, тем самым, позволяя исключить образование неисправимого брака.
Полученные результаты демонстрируют способность разработанной техники обеспе-
чить стабильность качества производимых композитных конструкций с повышенными
требованиями к сплошности структуры и конструктивной прочности.
Литература
aviatsionnykh konstruktsiy iz polimernykh kompozitsionnykh materialov [Technologies for
manufacturing power units of aircraft structures made of polymer composite materials]. Moscow:
Tekhnosfera, 2015, 215 p.
2. Osborne T. An introduction to resin infusion, Reinforced Plastics, 2014, Vol. 58, No. 1,
pp. 25-29.
3. Hsiao K.T., Heider D. Vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) in polymer matrix
composites, Manufacturing techniques for polymer matrix composites (PMCs). Woodhead
Publishing, 2012, pp. 310-347.
4. Shah D.U., Clifford M.J. Compaction, permeability and flow simulation for liquid composite
moulding of natural fibre composites, Manufacturing of natural fibre reinforced polymer composites.
Springer, Cham, 2015, pp. 65-99.
5. Garschke C. et al. Out-of-autoclave cure cycle study of a resin film infusion process using in
situ process monitoring, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2012,
Vol. 43, No. 6, pp. 935-944.
6. Summerscales J. Resin infusion under flexible tooling (RIFT), Wiley Encyclopedia of composites,
2011, pp. 1-11.
7. Govignon Q. et al. Full field monitoring of the resin flow and laminate properties during the
resin infusion process, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2008, Vol. 39,
No. 9, pp. 1412-1426.
8. Matveev M.Y. et al. A numerical study of variability in the manufacturing process of thick
composite parts, Composite Structures, 2019, Vol. 208, pp. 23-32.
9. Bertling D., Kaps R., Mulugeta E. Analysis of dry-spot behavior in the pressure field of a liquid
composite molding process, CEAS Aeronautical Journal, 2016, Vol. 7, No. 4, pp. 577-585.
10. Hu W., Centea T., Nutt S. Effects of material and process parameters on void evolution in unidirectional
prepreg during vacuum bag-only cure, Journal of Composite Materials, 2020,
Vol. 54, No. 5, pp. 633-645.
11. Bruschke M.V., Advani S.G. A numerical approach to model non-isothermal viscous flow
through fibrous media with free surfaces, International Journal for numerical methods in fluids,
1994, Vol. 19, No. 7, pp. 575-603.
12. Cahn J.W., Hilliard J.E. Free energy of a nonuniform system. I. Interfacial free energy, The
Journal of chemical physics, 1958, Vol. 28, No. 2, pp. 258-267.
13. Richards L.A. Capillary conduction of liquids through porous mediums, Physics, 1931, Vol. 1,
No. 5, pp. 318-333.
14. Van Genuchten M.T. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated
soils, Soil science society of America journal, 1980, Vol. 44, No. 5, pp. 892-898.
15. Zhou C. et al. 3D phase-field simulations of interfacial dynamics in Newtonian and viscoelastic
fluids, Journal of Computational Physics, 2010, Vol. 229, No. 2, pp. 498-511.
16. Shevtsov S. et al. Experimental and Numerical Study of Vacuum Resin Infusion for Thin-
Walled Composite Parts, Applied Sciences, 2020, Vol. 10, No. 4, pp. 1485-1510.
17. Wei B.J. et al. Model-assisted control of flow front in resin transfer molding based on real-time
estimation of permeability/porosity ratio, Polymers, 2016, Vol. 8, No. 9, pp. 337.
18. Wu J.-K. et al. Identification of thermoset resin cure kinetics using DSC and genetic algorithm,
2014 International Conference on Information Science, Electronics and Ellectric Engineering
(ISEEE), Sapporo, Japan, 26-28 Apr. 2014, pp. 1-14.
19. Govignon Q., Bickerton S., Kelly P.A. Simulation of the reinforcement compaction and resin
flow during the complete resin infusion process, Composites Part A: Applied Science and
Manufacturing, 2010, Vol. 41, No. 1, pp. 45-57.
20. Gutowski T.G. et al. Consolidation experiments for laminate composites, Journal of Composite
Materials, 1987, Vol. 21, No. 7, pp. 650-669.
21. Grimsley B.W. et al. Preform characterization in VARTM process model development, Proceedings
of the 36th International SAMPE Technical Conference, San Diego, US, 15-18 Nov.
2004, pp. 1-14.
22. Joven R., Minaie B. Thermal properties of autoclave and out-of-autoclave carbon fiber-epoxy
composites with different fiber weave configurations, Journal of Composite Materials, 2018,
Vol. 52, No. 29, pp. 4075-4085.
