真空灌注工艺的模拟研究

王 刚

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300450)

真空灌注工艺的模拟研究

王 刚

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300450)

阐述了真空灌注工艺的原理，并对该工艺在风电叶片生产中的应用进行介绍，通过简化实验模型，并使用软件模拟真空灌注过程，分析出树脂粘度、压强、抽气口和进胶口的位置和数量等工艺参数对真空灌注工艺的影响，从而对风电叶片生产的工艺方案提供理论参考依据。

真空灌注工艺 软件模拟 充模时间

0 引 言

真空灌注工艺是在刚性模具上铺“干”的增强材料(如玻璃纤维、碳纤维、夹心材料等)，然后铺放导流介质、真空袋等，密封后，通过抽真空排除腔内气体，利用真空产生的压力把树脂通过预铺的导流介质压入增强材料层中，让树脂浸润增强材料最后充满整个模具，制品固化后，揭去真空袋材料，从模具上得到所需的制品。

真空灌注工艺具有成品率高、产品性能好、适用于大尺寸复杂构件的制备等优点，因此目前风电叶片的制造均采用该工艺成型。但是真空灌注工艺也存在一定的风险，尤其是像风电叶片这样大型且结构复杂的产品，一旦在树脂灌注中失败，产品易报废。因此要有较完善的前期研究，将各因素对真空灌注工艺的影响进行深入分析，制定出全面的工艺方案和有效的补救措施，以避免干纤维、发白等质量问题，从而保证工艺的成功。

影响真空灌注工艺的因素有很多，包括温度、树脂粘度、材料的结构及铺层方式、真空度、抽气口和进胶口的位置和数量等。由于风电叶片的结构和铺层方式复杂，在此不做深入探讨，本文将铺层结构进行简化，主要选择其中的几个主要因素，如树脂粘度、树脂灌注方式、真空压力等，通过设计实验并使用软件模拟来研究这些因素对真空灌注工艺充模过程及结果的影响。

1 实验内容

由于叶片的形状和铺层结构较为复杂，对真空灌注工艺的影响也相当大，为了更突出地表现出树脂粘度、灌注方式、真空压力等因素对灌注过程的影响，本文将实验模型简化为平板复合材料构件，并通过在进料口施加压力，将树脂压入腔体，根据达西定律在计算机上编制软件，用于计算和模拟平板复合材料构件的树脂流动过程，该程序具有显示流动过程和输出任一时刻压强分布的功能。

在软件中输入参数，点击开始后，计算机屏幕上会动态显示树脂填充流动过程。屏幕左部分动态显示彩色流动画面，并且在其下部显示填充时间序号和填充时间。在动态显示结束后，流动画面下面显示的是最终的填充时间序号和填充时间。屏幕右部分显示部分参数数据和不同时刻对应的画面颜色。

通过计算机模拟，可以分析出树脂粘度、压力、渗透率等因素对树脂流动的影响。本文主要进行以下几个实验：①模拟并分析进料口和出料口的位置对充模过程的影响；②模拟并分析不同填充压强对充膜时间的影响；③模拟并分析不同渗透率对充膜时间的影响；④模拟并分析不同粘度系数对充模时间的影响；⑤分析树脂灌注过程中压力场的分布。

2 实验结果与讨论

2.1 进料口和出料口的位置对充模过程的影响

2.1.1 实验参数

设定模具的最大轮廓尺寸，按顺序分别对应于x、y、z 3个方向，即宽、长、高分别为 60,cm，80,cm，0.4,cm；X、Y轴方向网格数分别为30，40；X、Y轴方向的渗透率为10.0×10-6,cm-2；树脂粘度系数为50,cp；注射压力为0.2,MPa。

2.1.2 实验结果

灌注方式 1：进料口坐标(15，20)、(15，21)、(16，20)、(16，21)；出料口坐标(0，0)、(0，40)、(30，40)、(30，0)。

灌注方式 2：进料口坐标(0，0)、(0，1)、(1，0)、(1，1)；出料口坐标(30，0)、(0，40)、(30，40)。

灌注方式 3：进料口坐标(15，0)、(16，0)、(15，1)、(16，1)，(15，40)、(16，40)、(15，39)、(16，39)；出料口坐标(0，20)、(0，21)、(30，21)、(30，20)。

2.1.3 结果分析(见图1)

图1 3种进胶方式的流动Fig.1 Flow of three different injection ways

上面采用了 3种进胶方式，所呈现的树脂流动过程是不一样的，但溢料口(抽气口)的设置却是有规律的，即树脂最后流到的位置。若在其他位置留有溢料口，当树脂流到此处后即流出，树脂未到达的地方就很难灌注了，尤其在大尺寸复杂构件中，进胶口和抽气口的设置特别重要，往往不是单一的孔，而是与之连接而成的灌注或抽气网络。

另外达西定律t＝ℓ2,h/(2k△P)中，其中t是导入时间，ℓ是树脂流动长度，指的树脂进料口与到达出料口的之间的距离，由此可见，树脂流动长度不宜过长，因此在风电叶片的生产中，真空灌注的完成需要包括完善的进胶导流系统和抽气动力系统。

2.2 不同压强对树脂充膜时间的影响

2.2.1 实验参数

宽、长、高分别为 60,cm，80,cm，0.4,cm；X、Y轴方向网格数分别为30，40；X、Y轴方向的渗透率为10.0×10-6,cm-2；树脂粘度系数为50,cp。

灌注方式：进料口坐标(15，20)、(15，21)、(16，20)、(16，21)；出料口坐标(0，0)、(0，40)、(30，40)、(30，0)。

2.2.2 实验结果(见表1)

表1 压强与充模时间关系表Tab.1 The relational table of pressure and filling time

图2 压强与充模时间关系曲线Fig.2 The relational curve of pressure and filling time

2.2.3 结果分析(见图2)

在其他条件不变的情况下，压强与时间成反曲线关系，即压强愈大，注射时间越短。在风电叶片的生产中，对真空系统的要求极其高，首先压力就是动力，树脂的流动就是靠真空负压进行的，整个系统的压力大小直接影响到树脂流动性，因此必须抽到接近真空状态，并且在关闭动力后能够保住压力不泄，这样才能保证树脂流动有足够的动力；其次，局部漏气点不但会影响压力的大小，还会影响压力场的分布，导致灌注不能按预期进行。

2.3 不同渗透率对充膜时间的影响

2.3.1 实验参数

宽、长、高分别为 60,cm，80,cm，0.4,cm；X、Y轴方向网格数分别为 30，40；树脂粘度系数为 50,cp；注射压力为0.2,MPa；

灌注方式：进胶口坐标(15，20)、(15，21)、(16，20)、(16，21)；出料坐标(0，0)、(0，40)、(30，40)、(30，0)。

2.3.2 实验数据(见表2)

2.3.3 结果分析(见图3)

在其他条件不变的情况下，渗透率与注射时间成反曲线的关系，即渗透率越大，注射时间越短。风电叶片的形状和结构都很复杂，使用的材料也不止一种，不同材料的渗透率是不同的，如巴萨木、PVC泡沫、不同编制方式的纤维布等，且不同厚度的同种材料渗透效果也不同，纤维层数越厚，在真空压力下致密度越高，渗透效果越差，灌注就越困难。高渗透率导流介质的应用，大大缩短了充模时间，树脂在导流介质中流动大大快于在预制件中的流动。另外也可在较难渗透的材料上开孔或开浅槽，形成一定的导流效果，使得不同材料之间树脂流动的速度大体一致，可保证叶片灌注成功。在工艺中还要防止由于不合理铺层等导致的“短路效应”，在这些低阻力区，树脂流动速度会增加 10～100倍，使工艺不能在预想的情况下进行。

表2 渗透率与充模时间关系表Tab.2 The relational table of permeability and filling time

图3 渗透率与充模时间关系图Fig.3 The relational curve of permeability and filling time

2.4 不同粘度系数对RTM工艺树脂充模时间的影响

2.4.1 实验参数

宽、长、高分别为 60,cm，80,cm，0.4,cm；X、Y轴方向网格数分别为30，40；X、Y轴方向的渗透率为10.0×10-6,cm-2；注射压力为0.2,MPa。

灌注方式：进料口坐标(15，20)、(15，21)、(16，20)、(16，21)；出料口坐标(0，0)、(0，40)、(30，40)、(30，0)。

2.4.2 实验数据(见表3)

2.4.3 结果分析(见图4)

在其他条件不变的情况下，树脂粘度系数与注射时间呈线性关系，即树脂粘度越大，需要的注射时间越长。由此可以看出，风电叶片这种大尺寸构件必须采用低粘度的树脂，否则成型时间会很长。目前主要使用的树脂是环氧树脂，为热固性树脂，随着灌注时间的增加，树脂与固化剂发生固化反应，树脂粘度也会不断增加，放出较高热量，然而温度的上升进一步促进固化反应的发生，粘度的增加则会导致树脂无法流动，造成相应的质量问题。因此树脂的初始温度极为重要，当处于低温时，树脂随温度升高，粘度会降低，但当温度达到 35,℃左右时，温度对固化反应的促进作用更大，直接导致树脂的粘度很快增大，不利于叶片灌注。

表3 粘度与充模时间关系表Tab.3 The relational table of resin viscosity and filling time

图4 粘度与充模时间关系图Fig.4 The relational curve of resin viscosity and filling time

2.5 树脂注射过程中压力场的分布

2.5.1 实验数据

对压力场的分析采用实验3.1中的灌注方式3，在时间序号n＝365时的压力场分布如图5所示(纵坐标为压力/MP)：

2.5.2 结果分析

由图 5可以看出此刻压力场的分布，我们可以用同样的方法对真空灌注工艺中的压力场进行分析，在真空灌注工艺中预制件受到的外压是大气压(P)，这个压力由树脂压力(Pr)和纤维结构支撑(Pf)，即：P＝Pr＋Pf。

树脂在进口处的压力为 1个大气压，其流动前锋的压力为零，树脂压力从流动前锋到进口处，其压力是从 0～1个大气压的分布，离开流动前锋越远树脂压力越大，相应预制件受的压力越小，纤维受压缩也越小，厚度也较大。因此产品厚度和含胶量是随着树脂的流动方向改变的，离真空源越远，树脂含量越高，产品也越厚。而关闭树脂进口，继续保持真空出口，使树脂压力稳定地减少，从而预制件进一步压缩，可减缓厚度不均的现象。

图5 压力场分布图Fig.5 Pressure field distribution

3 结 语

以上几组实验，通过软件模拟了不同条件下树脂的充模过程，可以看出压力、管路布置方式。树脂粘度和材料渗透率都是影响真空灌注工艺的主要参数，通过数据分析得出其数量关系，并联系叶片生产的实际情况进行归纳分析，得出结论。这对真空灌注工艺的基础研究推动效果显著，同样对叶片生产工艺方案的制定起到了一定的指导作用。

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Simulation of Vacuum Infusion Process

WANG Gang
(Tianjin Dongqi Wind Turbine Blade Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300450，China)

This paper describes the principle of vacuum infusion process and its application in the production of wind turbine blades．By simplifying the experimental model and using software to simulate the vacuum infusion process，the effect of process parameters on the vacuum infusion process can be analyzed．Main process parameters include resin viscosity，pressure，the number and location of exhaust port and resin inlet．The results provide a reference for wind blade production technology program.

vacuum infusion process；software simulation；filling time

O633.13

A

1006-8945(2015)11-0032-03

2015-10-09