基于气液两相流多尺度耦合求解的树脂传递成型充模过程渗流机理研究

Composite resin transfer molding (RTM) process has been widely used in aerospace field and so on, while the complicated porous flow mechanism in the dynamic preform during the mold-filling stage has not been fully mastered, so the process parameters and the final quality cannot be evaluated and predicted accurately.Therefore,in this project, the structural morphology, deformation behaviour and parametric expression method of micro fiber bundle, meso unit cell and macro draping state are studied firstly, the accurate geometric modeling method for the randomness, periodicity, multi-scale structure of the fabric preform is developed; Then, the gas-liquid two-phase flow behavior and coupling mechanism in the micro-meso-macro pores of preform are researched, the kinematical theory, continuum assumption and BSM are employed to mathematically describe the flow of each scale and the coupling behaviors between the flow fields; At last, the numerical simulations of the micro, meso and macro two-phase flow fields are achieved based on the lattice Boltzmann method, finite element method and Volume of Fluid method,the bridging coupling theory and master-slave element method are used to calculate the coupling parameters between micro-meso, macro-meso flow fields,then the porous flow mechanism of the RTM mold-filling process is revealed, and the 3D multi-scale mold-filling simulation method is formed.The research can realize the accurate simulation prediction of the mold-filling process and formation quality, and can improve the research level of the integrated process of design and manufacturing for composites.

复合材料树脂传递成型（RTM）工艺已广泛应用于航空航天等领域，然而目前尚未准确掌握其充模阶段动态预成型体内的复杂渗流机理及行为，无法对工艺参数和制件质量进行准确的评价和预测。为此，本项目首先研究预成型体微观纤维束、细观单胞和宏观铺覆状态织物的结构形态、受力变形行为及参数化表达方法，实现预成型体随机性、周期性多尺度结构及其变形状态的精确几何建模；然后，研究多尺度孔隙内气液两相流动行为及耦合机理，基于动理学理论、连续介质假设和连接尺度等方法对各尺度流场及其相互耦合行为进行精确的数学描述；最后，综合运用格子Boltzmann法、有限元法、VOF法等数值计算方法，分别实现微、细、宏观两相流场的仿真，并采用桥域耦合理论和主从单元法对流场耦合参数进行求解，揭示RTM充模过程渗流机理，形成三维多尺度充模仿真方法。进而实现充模过程和成型质量的精确模拟与预测，提升复合材料数字化设计制造一体化研究的技术水平。

纤维增强树脂基复合材料（以下简称复合材料）因其优异的比强度、比刚度、可设计性和耐腐蚀性特征，在航天航天、船舶和汽车等对减重有极高要求的领域获得了广泛的应用。复合材料树脂传递成型（RTM）工艺是目前广泛应用的一种液态成型工艺 ，跟传统工艺相比其能够制造高纤维体积含量的复杂制件，而且拥有高表面精度、高结构设计效率和较好的生产环境等优点。然而，目前尚未准确掌握其充模阶段动态预成型体内的复杂渗流机理及行为，无法对工艺参数和制件质量进行准确的评价和预测。为此，本课题开展了基于气液两相流多尺度耦合求解的树脂传递成型充模过程渗流机理研究。分析了织物预成型体的随机性、周期性结构特征和复杂变形行为及规律，研究了预成型体多尺度、参数化表达方法及其几何建模技术，基于通用几何建模内核开发了单丝、纱线、松弛单胞以及变形单胞几何建模软件，为复合材料制件结构设计、成型模拟和性能分析提供了更加精确的几何模型；综合利用Darcy定律、Brinkman方程和Navier-Stokes方程建立了不同流动特征下的充模过程数学模型，并耦合主从单元法、动态网格法、有限元法和VOF多相流技术实现了上述模型的求解，将RTM 充模过程的仿真从传统的固定边界、单一尺度和单相流体的数值模拟扩展到动态边界以及微观-细观-宏观多尺度两相流耦合模拟仿真上。在此基础上，本课题还对充模过程中气泡缺陷的形成进行了建模和预测研究。通过本课题的研究，揭示了RTM 充模过程气液两相渗流机理，形成了三维多尺度充模仿真方法，实现了充模过程和质量的精确模拟预测。同时，开发了一组RTM 充模仿真相关的软件，为形成具有自主知识产权的复合材料结构数字化设计制造一体化系统奠定基础。