天线面蒙皮真空导入整体成型充模仿真及优化

张舰

摘 要：真空导入属于一种被应用在复合材料制作过程中的技术，该技术的主要功能是去除磨具和纤维材料之间的空气，进而提高树脂型材料的流动能力，是复合材料质量的基本保障。为此，文章分析了天线面蒙皮真空导入的仿真方式及其优化方式，并将真空导入技术应用到了实际成型过程中。

关键词：天线面蒙皮；真空导入；整体成型；充模仿真

中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0016-02

引言

纤维型复合材料具有重量轻、强度高、膨胀系數较低等特点，因此，经常被应用在天线面板制备过程中，而如何实现薄壁构件的整体成型，也成为了复合材料发展和应用的一项难题。为此，研究人员应用了以计算机为载体的仿真模拟技术，并优化了流道设计方案，旨在改善复合材料浸润的均匀性。

1 流动仿真理论模型

计算机仿真模拟技术能够实现对真空导入过程的全方位模拟，并应用相应技术实现付流道设计方案的优化，进一步改善树脂在纤维材料中的浸泡效率和深入程度，改善复合型材料的均匀程度。当下，已经有专业技术人员就树脂的渗流过程进行了贴体坐标和有限分差法研究，并建立了树脂渗流量计算方程；还有技术人员针对现行四种不同类型的天线蒙皮导入方式进行了仿真模拟实验，确定了最佳的流道布置方式和分布设置方案，本文应用的便是四种导入方式的实验；还有技术人员应用RTM仿真技术对风叶机RTM充模过程进行三维模拟，形成了专业的工艺加工方案，将其运用在实际生产过程中取得了优良效果。

真空导入树脂的过程和纤维材料的固化过程，都属于物质的非等温渗流过程，因此，用数学模型可以描绘出运动能量的守恒方程，工作人员可以在此基础上解释物质的存在形式和运动形式。在本文的实验中，为了减轻计算难度，忽略了在加工工艺应用过程中可能出现的边缘现象，因此，在真空导入研究实验中，需要做出以下假设：纤维具有良好的刚性，在树脂中浸泡时不会出现变形现象；树脂和纤维在实验过程中不会发生密度上的变化；树脂流动时产生的雷诺数较小，可以忽略惯性作用的影响；被树脂浸润的纤维结构和没有被浸润过的纤维结构，融合在一起时会形成明显的分界面，此分界面之外没有树脂流体存在，分界面之内的树脂流体达到了饱和[1]。

基于上述假设下，真空导入仿真模拟模型可以表示为：=-，其中Q表示面积式样中的体积流量，单位是m3/s；K表示的是纤维渗透率的张量，单位是m2；A表示的是试件的横截面面积，单位是m2；△P表示的是固定流动长度（L）额压强值，单位是Pa；？浊表示的是流体的实际黏度，单位是Pa/s。

在真空导入仿真实验中，最关键的是确定物质和流体的运送边线，即树脂流动过程的前沿位置，因此，操作人员需要应用相关技术对模具的流动前沿进行监控，本次试验应用的是有限元控制体积法。通过型腔内压力场的求解方程，操作人员可以分别计算出注射点、内点、前沿点的内压力场，为真空导入设备的安装和设置提供了数据支持，如注射口和排气口等，进而确保了仿真模拟实验和真空导入工艺的优化设计的规范性和合理性[2]。

2 天线面蒙皮仿真优化设计

2.1 流道设计和模拟

以真空导入技术为依据可以划分出四种不同类型的天线蒙皮导入方式，现应用Pro/e三维建模软件和RYM-Worx分析软件对反射天线面蒙皮进行建模实验和仿真模拟。现假设天线面蒙皮的投影为椭圆形，最长投像轴的长度为18米，最短投像轴的长度为15米，最高投射点的高度为2米，并在仿真软件中将其划分为66000个节点，125000个单元数。在此次仿真模拟过程中，真空导入技术的工业参数如下：预成体的渗透率为8*10-10m2，此时纤维物质在总体试验总质量的含量为60%，树脂的粘度固定为220Pa/s，真空导入仿真模拟实验所承受的真空压力为0.095Pa。现对上文中提到的四种导流方式进行统一实验，总结的实验结果如下文所示。

仿真模拟实验结果证明，一号导流方式的流道间距较大，导致流体的流动速度过于缓慢，延长了冲模时间，但是如果在实验过程中，就流道方式进行改善，缩短流道间距，则会增加注胶口的数量，给流道的安排和设计增加难度，造成运行设备不能合理分配的问题。另外，此导流方式在实际应用过程中及其容易出现边缘效应，导致操作人员无法有效控制真空导入工艺的应用过程[3]。

二号导流方式的流道间距较小，且流道的长度有所增加，减少了冲模时间，但是受到注胶口分布原则的影响，为了确保流道在一圈内实现完全浸泡，需要在实验开始前浸润纤维布，并逐渐增加流道圈内的注胶口数量，并在流道圈内设置抽气口。在第一圈流道内部需要设置的注胶口数量较多，其中第七圈需要设置12个注胶口，在整体仿真模拟实验中共需要设置46个注胶口。因此，在二号导流方式中涉及到了较多的注胶口和抽气口安装，操作人员需要严格遵循安装规范和顺序，增加了施工工艺的风险。

三号导流方式减少了注胶口和抽气口的安装数量，对流道进行了均匀的布置，但是在真空导入模拟实验中仍然发现了操作风险，即当树脂的流动前沿呈现“U”型时，如果前沿的深度较深，则会出现注胶口控制不合理和流管错位等问题，导致“U”型结构的两侧先被填充完，容易形成聚气，进而造成天线面蒙皮的干瘪和缺陷[4]。

四号导流方式树脂流动前沿呈现“V”型，弥补了“U”型流动前沿的缺陷，并且整体流道圈内只能设置一个注胶口，规避了施工工艺带来的风险。在上述的仿真模拟实验中，可以看出四号导流方式的流动效率最高，树脂流动的质量比较均匀，因此，最适合应用在天线面蒙皮设计中。

2.2 真空导入工艺的优化设计

上述仿真模拟实验中，四号导流方式为：将48根导流管按照安装流程规安装好，设置一个中心点，将导流管按照放射线形状排列，应用导管的长度在6.9米-8.85米之间，流道的总体长度可以达到380米，相邻流道的间距为0.95米-1.2米，流道圈内有一个注胶口和一排抽气口[5]。endprint

为了方便仿真模拟实验的进行，在确保冲模效率和质量的前提下，现对四号导流方式进行了如下改造：将一个注胶口改造为8个注胶口围绕的环形结构，让6根导流管共用一个注胶口；在环形结构中增加一个抽气口。实验结果证明，此次改造在提高真空技术应用效率上有较大的作用，另外，应用该导流方式顺利完成了15m*18m面积天线面蒙皮的制作。

现对和改造后的导流方式在实验和实际应用过程中的具体参数进行进一步对比和说明，在仿真模拟实验中，该导流方式的冲模时间为90分钟，但是在实际应用过程中的冲模时间为100分钟。经过分析和总结后，可以得出影响冲模时间变化的因素如下：在仿真模拟实验中，树脂的黏度不变，在实际应用过程中，树脂的黏度会在时间的影响下出现一定程度的变化；在仿真模拟实验中，预成体的渗透率是理想值，在实际应用过程中，复合材料在铺设时会产生不同程度的变形。

总体而言，在流道仿真模拟实验和真空导入工艺的优化设计过程中，能够总结出适合应用在天线面蒙皮制作中的理论和技术，仿真和优化模拟在实际工艺品成型中具有指导作用，能够有效避免多次实验带来的成本支出，大幅度降低了真空导入技术的应用风险，提高了天线面蒙皮的成型效率和质量，并且在实际应用过程中取得了显著的效果[6]。

3 天线面蒙皮真空导入结论

通过RYM-Worx分析软件完成了对大口径天线面蒙皮的仿真模拟实验，在结合四种导流方式的冲模效率和质量后，选择了四号导流方式，并结合实际的工艺流程对真空导入技术应用方式和流道设计方式进行了进一步的优化，随后应用改造后的天线面蒙皮进行工艺成型，最后应用的冲模时间为100分钟，并制造出了比较完善的天线面蒙皮。

实验结果和应用效益证明，将仿真模拟技术和真空导入技术应用在天线面蒙皮制作中，能够提高树脂在纤维材料中浸泡均匀性，有效的降低了施工工艺的施工成本和工艺风险，在提高产品性能方面发挥了比较重要的作用，为大型薄壁构件的建造提供了技术支持和理论依据。

4 结束语

相对于传统的复合材料成型技术来说，真空导入技术比较适合影响在成型面积较大的材料制作过程中，高效率的流道设计能够让纤维材料被树脂充分浸泡，减少天线面蒙皮上的孔隙，进而提高天线面板结构的质量。因此，技术人员需要加大对真空导入整体成型技术的研究力度，结合实际的天线面蒙皮需求，运用先进的仿真模拟和优化方式，对真空导入技术进行事先的模拟应用。

参考文献：

[1]夏振猛.天线面支撑结构张力特性分析与优化设计[D].哈尔滨工业大学，2013.

[2]游斌弟，赵志刚，赵阳.柔性天线面对漂浮基星载天线扰动分析及抑制[J].航空学报，2014，31（12）：2348-2356.

[3]莫镝.基于COSO框架的A建设项目全面风险管理研究[D].电子科技大学，2014.

[4]水小妮.建筑工程承发包价格发展轨迹研究[D].西安建筑科技大学，2017.

[5]陆军，陈协云，叶龙根.平面阵列天线面精度测量值的分析计算方法[J].现代电子，2015（04）：13-16.

[6]鄭勇，钱志瀚.计算空间VLBI天线面有效截面积的数学模型[J].中国科学院上海天文台年刊，2014（00）：140-144.endprint