一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法

技术领域

本发明涉及高性能树脂基复合材料低成本制造技术领域，具体涉及一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法。

背景技术

树脂膜渗透(RFI)成型技术是一种可以结合缝合、编织等三维增强技术的复合材料液体成型技术，其工艺原理是采用干态纤维织物经铺叠、缝合或编织成干态纤维预成型体，将基体树脂制备成树脂膜与干态纤维预成型体在成型前和模具组合在一起，成型过程中在真空、温度和压力作用下，树脂膜熔融、渗透并浸润预成型体纤维，经升温固化后得到能够承载的复合材料制件。

RFI工艺与预浸料成型工艺的显著区别在于：预浸料成型工艺，是在所采用的预浸料的制备过程中实现树脂对纤维的浸润；而RFI工艺中为便于对制件进行三维增强，采用的是干态纤维织物，经过缝合、编织制备成干态纤维预成型体，在成型前将树脂膜预置于干态纤维预成型体，在成型升温过程中实现树脂对纤维的浸润。复合材料RFI成型工艺中树脂量控制是其技术难点，所预置树脂膜的量是RFI工艺的关键技术之一。如树脂量不足会导致树脂浸润不到位出现局部贫胶、干斑，而如果树脂膜预置量过多不仅会造成材料浪费，而且还容易造成由于制件树脂含量过高而导致的结构承载能力及减重效率的降低。航空复合材料由于结构减重和性能的需要，对零件纤维含量和厚度精度均提出比较高的要求，用于机翼、尾翼、垂尾、舱门等结构上的复合材料构件厚度公差至少±8％，一般要求±5％之内。

采用RFI工艺成型的复合材料结构通常为结合缝合技术、结构也比较复杂的加筋壁板类结构或大尺寸大厚度的三维编织复合材料结构。通常在加筋壁板结构在蒙皮周边、加筋凸缘区域采用缝合技术，所成型的零件不但缝合区、非缝合区并存，厚度区域也有明显变化，需要针对不同区域厚度要求及零件整体的纤维含量要求进行树脂量控制。

因此，发明人提供了一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法，通过根据零件纤维含量及厚度精度要求，建立该零件RFI成型树脂膜预置量控制模型；针对RFI工艺所成型制件的结构特性，实行分区计算，整体控制的原则，将零件进行分区，按各个区域厚度、精度要求分别计算树脂需求量，然后根据各区域纤维织物用量、树脂用量进行统筹计算，按整个制件的纤维含量要求调整树脂量，最终使制件树脂量得到量化控制，解决了复合材料结构件RFI工艺整体成型纤维含量和厚度精度控制的技术问题。

(2)技术方案

本发明的实施例提供了一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法，该方法包括以下步骤：

建立树脂膜预置量控制模型；

依据树脂膜铺放方式、厚度将制件划分为不同厚度的层间铺放区域和集中铺放区域；

建立预期树脂膜厚度计算模型，按制件期望的厚度值计算预期树脂膜厚度；

计算所述层间铺放区域的树脂膜预置量；

计算所述集中铺放区域的树脂膜预置量；

计算预置树脂膜的尺寸和层数。

进一步地，所述建立树脂膜预置量控制模型，具体为：

依据纤维体积含量及树脂损耗，建立预置树脂膜厚度与制件厚度的关系，控制树脂膜预置量，所述预置树脂膜厚度与所述制件厚度之间满足第一公式；

其中，所述第一公式为t

式中，t

t为所述制件厚度，单位为mm；

a为树脂损耗修正值，单位为mm；

V

V

式中，t

W

ρ

进一步地，依据所述第一公式及纤维体积含量公差(K

其中，所述第三公式为t

所述第四公式为t

式中，t

t

K

所述第五公式为K

K

所述第六公式为K

当所述纤维体积含量公差、所述树脂损耗修正值和所述预置树脂膜厚度满足第一设定条件时，所述制件厚度在要求的偏差范围之内；

其中，所述第一设定条件为a+(1-V

进一步地，所述建立预期树脂膜厚度计算模型，按制件期望的厚度值计算预期树脂膜厚度，具体为：

对制件不同厚度区域在厚度公差允许的范围内设定期望的厚度值t

其中，所述第七公式为t

式中，t

a

N

t

进一步地，所述计算所述层间铺放区域的树脂膜预置量，具体为：

对于所述层间铺放区域的树脂膜总预置量，选择满足第二设定条件的第一树脂膜均匀铺放于纤维织物的层间；

其中，所述第二设定条件为

t

式中，W

N

e为计算系数，取值为1、2或3。

进一步地，当所述计算系数e＝1时，逐层铺放满足所述第二设定条件的第一树脂膜于纤维织物的层间；

当所述计算系数e＝2或3时，所用面密度为W

其中，所述第三设定条件为10

依据第八公式计算树脂膜用量；

其中，所述第八公式为t

式中，t

n

W

进一步地，所述计算所述集中铺放区域的树脂膜预置量，具体包括如下步骤：

依据所述集中铺放区域的纤维织物的层数划分计算单元；

计算所述集中铺放区域的第二树脂膜预置量。

进一步地，所述计算所述集中铺放区域的第二树脂膜预置量，具体包括如下步骤：

依据第九公式建立T

依据所述T

其中，所述第九公式为T

式中，T

t

S

t

S

S

T

进一步地，所述计算预置树脂膜的尺寸和层数，具体为：

对所述计算单元中的每个集中铺放区域的预置第二树脂膜厚度T

进一步地，所述对所述计算单元中的每个集中铺放区域的预置第二树脂膜厚度T

依据第十公式建立M

按所述M

其中，所述第十公式为M

式中，M

m

s

s

c为小数部分且c＜0.1。

(3)有益效果

综上，本发明通过根据零件纤维含量及厚度精度要求，建立该零件RFI成型树脂膜预置量控制模型；针对RFI工艺所成型制件的结构特性，实行分区计算、整体控制的原则，将零件进行分区，按各个区域厚度、精度要求分别计算树脂需求量，最终使制件树脂量得到量化控制。该计算方法按制件纤维含量要求、不同厚度区域及公差要求计算每个区域的树脂量控制范围，可靠保证每个区域树脂对纤维实现浸润，避免干斑产生；对复杂结构件在分区域树脂膜用量计算的基础上，将制件作为一个整体进行树脂膜预置量统筹计算，对树脂总量进行统一调整，使制件整体质量得到控制；所建立的树脂膜预置量计算模型，充分考虑了所采用的纤维、树脂、工艺材料因素，按制件各区域预期厚度精确计算所需的树脂量，实现了RFI复合材料树脂量的量化控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法中树脂膜预置量控制模型的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法中制件层间铺放区域和集中铺放区域划分的示意图；

图4是本发明的实施例1中加筋壁板的结构示意图；

图5是本发明的实施例1中层间铺放区域和集中铺放区域的示意图；

图6是本发明的实施例1中树脂膜预置量控制模型及各区域树脂膜预置量控制范围的示意图；

图7是本发明的实施例2中加筋壁板的结构示意图；

图8是本发明的实施例2中层间铺放区域和集中铺放区域的示意图；

图9是本发明的实施例2中树脂膜预置量控制模型及各区域树脂膜预置量控制范围的示意图。

图中：

1-第一树脂膜；2-第二树脂膜；3-纤维织物；4-层间铺放区域；401-1#层间铺放区域；402-2#层间铺放区域；5-集中铺放区域；501-1#集中铺放区域；502-2#集中铺放区域；6-蒙皮；7-帽型筋；8-J型筋；901-第一计算单元；902-第二计算单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本发明实施例提供的一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法的流程示意图，如图1所示，根据本发明实施例提供了一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法，该方法包括以下步骤：

S1、建立树脂膜预置量控制模型。

本步骤中，建立树脂膜预置量控制模型，具体包括：

S101、建立树脂膜预置量与制件厚度的函数关系

RFI工艺树脂膜预置量与各区域厚度、纤维含量的要求密切相关，制件中理论的树脂厚度t

t

式中，t

V

V

此时，式(1)可以写为：

t

式中，t

考虑封装等因素带来的树脂损耗，根据不同区域的具体情况设置树脂损耗修正值a对式(1)、(3)进行修正，则得到预置树脂膜厚度t

t

式中，t

高性能的复合材料制件对纤维体积含量公差或厚度公差会提出明确要求，在式(4)的基础上考虑纤维体积含量公差(K

预置树脂膜厚度的最大值：t

预置树脂膜厚度的最小值：t

式中，t

纤维体积含量下偏差：K

K

纤维体积含量上偏差：K

考虑纤维体积含量公差(K

a+(1-V

S102、建立树脂膜预置量控制模型

根据制件纤维含量要求，考虑树脂损耗修正值，按式(4)建立预置树脂膜厚度t

S2、依据树脂膜铺放方式、厚度将制件划分为不同厚度的层间铺放区域和集中铺放区域。

本步骤中，图3是本发明实施例提供的一种适于RFI工艺的树脂膜预置量的计算方法中制件层间铺放区域和集中铺放区域划分的示意图，如图3所示，按树脂膜铺放方式、不同厚度区域对制件进行区域划分并编号，树脂膜铺放方式有层间铺放方式和集中铺放方式，采用第一树脂膜1通过层间铺放方式铺放于纤维织物层间的区域称层间铺放区域，采用第二树脂膜2通过集中铺放方式铺放于预成型体外面的区域称集中铺放区域。不同厚度的层间铺放区域和不同厚度的集中铺放区域构成制件的不同树脂膜预置量控制区域。

S3、建立预期树脂膜厚度计算模型，按制件期望的厚度值计算预期树脂膜厚度。

本步骤中，按制件期望的厚度值计算树脂膜预期厚度，对制件不同厚度区域在厚度公差允许的范围内设定期望的厚度值tx，此时该厚度区域所需树脂膜预期厚度t

t

式中，t

按式(10)在EXCEL中建立t

表1各个区域树脂膜预期厚度t

S4、计算层间铺放区域的树脂膜预置量。

本步骤中，对于层间铺放区域4树脂膜总预置量按步骤S3中表1的计算结果。选择满足条件(11)的第一树脂膜均匀铺放于纤维织物3的层间。

t

式中，W

按式(11)在EXCEL中建立树脂膜面密度W

优先选用e＝1时满足条件(11)的第一树脂膜逐层铺放于纤维织物3的层间。当e＝2或3时，所用面密度为W

10

记录层间铺放区域4采用的第一树脂膜的面密度W

t

式中，t

在EXCEL中建立树脂膜用量t

S5、计算集中铺放区域的树脂膜预置量。

本步骤中，具体包括如下步骤：

S501、计算单元划分

按集中铺放区域5的纤维织物3的层数划分计算单元，纤维织物层数相同的集中铺放区域5及其相邻的层间铺放区域4作为一个计算单元，每个计算单元包含的层间铺放区域4可以具有不同的纤维织物3层数。

S502、集中铺放区域5的第二树脂膜预置量需考虑的因素：

第一，该集中铺放区域5树脂量的需求；

第二，制件采用的辅助材料造成的树脂损耗；

第三，所包含的层间铺放区域4所需的树脂调整量。

将制件作为一个整体考虑三方面因素对集中铺放区域5的第二树脂膜预置量进行统筹计算，通过集中铺放区域的第二树脂膜的铺放量的统筹计算对壁板整体树脂量进行适度调整。

S503、集中铺放区域树脂膜预置量计算

集中铺放区域5的第二树脂膜预置量计算，对于第一方面，集中铺放区域5树脂量的需求t

T

式中，T

按式(14)在EXCEL中建立第二树脂膜预置量T

S6、计算预置树脂膜的尺寸和层数。

本步骤中，对计算单元中每个集中铺放区域5的预置第二树脂膜的厚度T

M

M

m

s

s

调整集中铺放区域5铺放面积时，按该集中铺放区域边界单边长、宽方向允许的最大尺寸偏差±50mm。

在一种优选的实施方式中，建立树脂膜预置量控制模型，具体为：

依据纤维体积含量及树脂损耗，建立预置树脂膜厚度与制件厚度的关系，控制树脂膜预置量，预置树脂膜厚度与制件厚度之间满足第一公式；

其中，第一公式为t

式中，t

a为树脂损耗修正值，单位为mm；V

其中，第二公式为V

式中，t

在一种优选的实施方式中，依据第一公式及纤维体积含量公差(K

其中，第三公式为t

第四公式为t

式中，t

第五公式为K

K

第六公式为K

当纤维体积含量公差、树脂损耗修正值和预置树脂膜厚度满足第一设定条件时，制件厚度在要求的偏差范围之内；

其中，第一设定条件为a+(1-V

在一种优选的实施方式中，建立预期树脂膜厚度计算模型，按制件期望的厚度值计算预期树脂膜厚度，具体为：

对制件不同厚度区域在厚度公差允许的范围内设定期望的厚度值t

其中，第七公式为t

式中，t

在一种优选的实施方式中，计算层间铺放区域的树脂膜预置量，具体为：

对于层间铺放区域的树脂膜总预置量，选择满足第二设定条件的第一树脂膜均匀铺放于纤维织物的层间；

其中，第二设定条件为

t

式中，W

在一种优选的实施方式中，当计算系数e＝1时，逐层铺放满足第二设定条件的第一树脂膜于纤维织物的层间；

当计算系数e＝2或3时，所用面密度为W

其中，第三设定条件为10

依据第八公式计算树脂膜用量；

其中，第八公式为t

式中，t

在一种优选的实施方式中，计算集中铺放区域的树脂膜预置量，具体包括如下步骤：

依据集中铺放区域的纤维织物的层数划分计算单元；

计算集中铺放区域的第二树脂膜预置量。

在一种优选的实施方式中，计算集中铺放区域的第二树脂膜预置量，具体包括如下步骤：

依据第九公式建立T

依据T

其中，第九公式为T

式中，T

在一种优选的实施方式中，计算预置树脂膜的尺寸和层数，具体为：

对计算单元中的每个集中铺放区域的预置第二树脂膜厚度T

在一种优选的实施方式中，对计算单元中的每个集中铺放区域的预置第二树脂膜厚度T

依据第十公式建立M

按M

其中，第十公式为M

式中，M

以下以具体实施例对本发明进行详细说明

实施例1

图4所示尺寸为1.5m×0.75m的帽型加筋壁板，带有四根与蒙皮6等长度的帽型筋7，帽型筋7下翻边与蒙皮6缝合后通过RFI工艺成型。蒙皮6的纤维织物3的层数为二十四层，厚度4.44mm，帽型筋7的纤维织物3的层数为十二层，厚度2.22mm，所采用纤维织物3的面密度190g/m

S1、建立树脂膜预置量控制模型。

考虑纤维体积含量及纤维含量偏差，树脂损耗的因素，建立预置树脂膜厚度与制件厚度的关系，控制树脂膜预置量，使制件厚度在要求的偏差范围之内。

按式(2)计算纤维体积含量V

t

根据厚度公差(-2％，8％)，按式(7)得到纤维体积含量下偏差K1＝-V

预置树脂膜厚度的最小值：t

预置树脂膜厚度的最大值：t

按式(9)，预置树脂膜厚度t

a+0.418*t≤t

根据该制件厚度公差，按式(4)建立预置树脂膜厚度与制件厚度的关系曲线，按式(5)、(6)在模型上设置控制树脂膜厚度范围的上限t

S2、制件区域划分。

该制件按树脂膜铺放方式、不同厚度划分为三个区域，如图5所示，帽型筋7下翻边与蒙皮6的缝合区，即图5中所示阴影部分为集中铺放区域，厚度6.66mm，编号为1#集中铺放区域501。图中阴影区之外的区域均为层间铺放区域，阴影区之外的帽型筋7的区域厚度为2.22mm，为1#层间铺放区域401，阴影区之外的蒙皮6的区域厚度为4.44mm，为2#层间铺放区域402。

S3、建立预期树脂膜厚度计算模型，按制件期望的厚度值计算各区域预期树脂膜厚度。

按式(10)在EXCEL中建立计算模型A，按厚度偏差2％设定制件各区域期望的厚度值t

表2各个区域树脂膜预期厚度t

S4、层间铺放区域树脂膜预置量计算。

按式(11)在EXCEL中建立树脂膜面密度W

按式(13)在EXCEL中建立树脂膜用量t

S5、集中铺放区域树脂膜预置量计算。

S501.按集中铺放区域的纤维织物层数划分计算单元，制件有八个1#集中铺放区域501，纤维织物的层数均为三十六层，将八个1#集中铺放区域501及包含的帽型筋7和蒙皮6的1#层间铺放区域401和2#层间铺放区域402作为一个计算单元，编号为计算单元Ⅰa。

S502.集中铺放区域树脂膜预置量计算时将制件作为一个整体通过集中区域树脂膜预置量进行统筹计算。考虑三方面因素：第一，1#集中铺放区域501树脂量的需求，第二，制件所采用的辅助材料树脂损耗量，第三，所包含的1#层间铺放区域401和2#层间铺放区域402已铺放树脂膜所需的调整量。

S503.集中铺放区域树脂膜预置量计算

综合考虑1#集中铺放区域501树脂需求量、树脂损耗量、所包含1#层间铺放区域401和2#层间铺放区域402所需的树脂调整量，1#集中铺放区域501预置第二树脂膜2的厚度T

T

按式(14)建立树脂膜预置量EXCEL计算模型E，确定式中的参数,在树脂膜预置量T

计算单元中包含由八个子区域组成的1#集中铺放区域501、1#层间铺放区域401和2#层间铺放区域402，1#集中铺放区域501的面积s

S6、预置树脂膜尺寸和层数计算。

按式(15)建立M

M

调整1#集中铺放区域501的八个子区域树脂膜铺放区域的尺寸，当s

实施例2

图7所示尺寸为3.8m×0.8m的“J”型加筋壁板，蒙皮6上带有四根J型筋8，J型筋8的下翻边与蒙皮6缝合后通过RFI工艺成型。蒙皮6的纤维织物3的层数为二十五层，厚度4.0mm，J型筋8的纤维织物3的层数为十五层，厚度2.4mm，所采用纤维织物3的面密度160g/m

S1、建立树脂膜预置量控制模型。

考虑纤维体积含量公差、厚度公差K，树脂损耗的因素,建立预置树脂膜厚度与制件厚度的关系，控制树脂膜预置量，使制件厚度在要求的偏差范围之内。

按式(2)计算纤维体积含量V

t

根据厚度公差±5％，按式(7)得到纤维体积含量下偏差K

预置树脂膜厚度的最小值：t

预置树脂膜厚度的最大值：t

按式(9)，预置树脂膜的厚度t

a+0.402*t≤t

根据该制件厚度公差，按式(4)建立预置树脂膜厚度与制件厚度的关系曲线，按关系式(5)、(6)在模型上设置控制树脂膜厚度范围的上限t

S2、制件区域划分。

该制件按树脂膜铺放方式、不同厚度划分为四个区域，如图8所示，蒙皮6两端缝合区和J型筋8下翻边与蒙皮6的缝合区，即图7中所示阴影部分为集中铺放区域5，厚度分别为4.0mm和6.4mm，标识为1#集中铺放区域501和2#集中铺放区域502。图8中阴影区之外的区域均为层间铺放区域4，阴影区之外的J型筋8的区域厚度为2.4mm，为1#层间铺放区域401，阴影区之外的蒙皮6的区域厚度为4.0mm，为2#层间铺放区域402。

S3、建立预期树脂膜厚度计算模型，按制件期望的厚度值计算各区域预期树脂膜厚度。

按式(10)在EXCEL中建立t

表3各个区域树脂膜预期厚度t

S4、层间铺放区域树脂膜预置量计算

按式(11)在EXCEL中建立树脂膜面密度W

按式(13)在EXCEL中建立树脂膜用量t

S5、集中铺放区域树脂膜预置量计算。

S501.按集中铺放区域的纤维织物层数划分计算单元，制件两端部的1#集中铺放区域501，纤维织物3的层数为二十五层，中部2#集中铺放区域502，纤维织物3的层数为四十层，按两个集中铺放区域将制件划分为两个计算单元，两端部的1#集中铺放区域501及其包含的2#层间铺放区域502作为第一计算单元901，中部2#集中铺放区域502及其包含的1#层间铺放区域401和2#层间铺放区域502作为第二计算单元902。

S502.集中铺放区域树脂膜预置量计算时将制件作为一个整体通过集中区域树脂膜预置量进行统筹计算。第一计算单元901或第二计算单元902计算时考虑三方面因素：第一，计算单元中集中铺放区域树脂量的需求；第二，制件所采用的辅助材料树脂损耗量；第三，所包含的层间铺放区域已铺放树脂膜所需的调整量。

S503.集中铺放区域树脂膜预置量计算

综合考虑集中铺放区域树脂需求量、树脂损耗量、层间铺放区域4所需的树脂调整量，集中铺放区域5预置第二树脂膜厚度T

T

按式(14)建立树脂膜预置量EXCEL计算模型E，确定式中的参数,在树脂膜预置量T

第一计算单元901中包含1#集中铺放区域501和2#层间铺放区域402，1#集中铺放区域501的面积S

第二计算单元902包含四个2#集中铺放区域502和1#层间铺放区域401及2#层间铺放区域402，2#集中铺放区域502的面积S

S6、树脂膜预置尺寸和层数计算

按式(15)建立M

M

第一计算单元901的T

第二计算单元902的T

本发明实施例提供的计算方法相比于现有技术，其包括以下几个方面的优点：

1.按制件不同厚度区域及公差要求计算每个区域的树脂量控制范围，可靠保证每个区域树脂对纤维实现浸润，避免干斑产生；

2.对复杂结构件在分区域树脂膜用量计算的基础上，将制件作为一个整体进行树脂膜预置量统筹计算，对树脂总量进行统一调整，使制件整体质量得到控制；

3.所建立的树脂膜预置量计算模型，充分考虑了所采用的纤维、树脂、工艺材料因素，按制件各区域预期厚度精确计算所需的树脂量，实现了RFI复合材料树脂量的量化控制；

4.通过建立树脂膜预置量EXCEL计算模型，简化了树脂膜的计算过程，为复杂结构多区域树脂膜用量计算提供了便利。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。