树脂在双尺度多孔纤维预制体中的非饱和渗流机理与数值模拟研究

以纤维束编织或缝合的预制体属一种双尺度多孔介质，近期实验发现，树脂在双尺度多孔纤维预制体中流动时，流动前沿的上游附近存在半饱和区，对基于假定树脂流过区域为完全饱和区的充模理论模型及模拟方法提出了挑战，导致目前的模拟理论高估了充模压力，不能准确预测充模时间。本项目拟研究LCM工艺中树脂在双尺度多孔纤维介质中的渗流机理，基于存在半饱和区的实验现象及恒流量注射时压力与时间的非线性特征（偏离Darcy定律），进一步开展树脂在双尺度多孔纤维预制体中的非饱和流动实验分析与理论模型研究，在"沉浸理论"基础上，研究沉浸函数的确定方法，建立较真实反映树脂在双尺度纤维预制体中偏离Darcy流动特征的修正模型，并研究计算方法，实现对双尺度多孔纤维预制体非饱和流动的数值模拟，为完善LCM工艺充模理论模型、提高模拟精度、帮助解决高性能低成本复合材料制造关键技术、优化工艺参数和控制产品质量提供依据。

本项目开展了LCM工艺中树脂在双尺度多孔纤维预制体中的非饱和流动实验与理论模型研究，探讨了树脂在双尺度多孔纤维介质中的渗流机理，在“沉浸理论”基础上，建立了充模过程数学模型，研究了沉浸函数的确定方法，实现了对双尺度多孔纤维预制体非饱和流动的数值模拟，为完善LCM工艺充模理论模型、提高模拟精度、帮助解决高性能低成本复合材料制造关键技术、优化工艺参数和控制产品质量提供依据。项目的主要研究工作及成果是：.1）完成了双尺度纤维预制体非饱和渗流机理研究的实验工作。建立了一维恒流与恒压充模实验装置，开展了粘性流体在双尺度多孔纤维预制件中的充模流动实验研究。分别采用了植物油和不饱和聚酯树脂两种粘性流体，以及单轴、双轴和三轴缝合的三种玻璃纤维织物，分析研究了粘性流体在双尺度多孔纤维预制体中的渗流过程和机理。实验分析表明，在靠近流动前沿区域会产生明显的半饱和区，且在恒流注射时，注射口压力随时间呈现出非线性变化规律。.2）基于“沉浸理论”和动量和质量守恒原理，建立了双尺度多孔介质非饱和流动的理论模型，运用体积均匀化方法建立了能够反映纤维束内部微观流动特性的宏观流动控制方程。理论模型包含描述纤维束内流动的微观控制方程和纤维束间缝隙流动的宏观控制方程。描述纤维束内流动的微观流动方程与普通的单尺度多孔介质流动方程基本一致，而描述纤维束间流动的宏观流动连续性方程中含有代表树脂浸入纤维束内体积含量的沉浸项，通过这个沉浸项将两套方程联系起来。.3)研究了流动控制方程的数值计算方案，采用控制体有限元方法，编写了计算程序，并通过一维、二维和三维模拟计算实例，实现了树脂在双尺度多孔纤维介质的流动充模过程模拟，并分析了流场的压力分布特征。.4）根据纤维预制体细观结构以及周期性特征，建立了不同编织结构的纤维预制体的单包模型，采用数值模拟方法对单包进行浸润模拟，并通过对不同压力边界条件下的模拟结果进行拟合，确定了在宏观控制方程中的沉浸项数学表达式及其系数值。.5）分别采用实验和数值模拟方法，对几种双尺度多孔玻璃纤维预制体的一维渗透率进行了测定和预报，并研究了注射压力、流体粘度、预制体孔隙率等参数的影响。