Прогнозирование пропитки в PAM-RTM для изготовления крыши вагона хоппера из композитов методом вакуумной инфузии (VARI)

Работа по моделированию в PAM-RTM пропитки крыши вагона хоппера велась в инициативном порядке в композитном центре ЦАГИ. По мере изготовления на «АпАТэК» конструктивно подобных образцов и 1/3 крыши специалисты «АпАТэК» любезно предоставляли результаты своих экспериментов, по которым в композитном центре проходила верификация математической модели.

Основной порядок проведения такого рода работ – это изготовление конструктивных образцов конструкции, на которых отрабатывается технология пропитки сложных участков. Исходя из экспериментальных данных, технолог разрабатывает схему для целиковой конструкции.

Однако поведение пропитки для целиковой конструкции может отличаться от поведения в конструктивных образцах, в силу многочисленных дополнительных факторов, влияющих на пропитку. Поэтому технологи были вынуждены идти на определенный риск при изготовлении целиковой крыши.

Потенциально опасные зоны пропитки

Проблемы, с которыми столкнулись специалисты композитного центра:

• Отсутствие исходных данных по проницаемости наполнителей. Эти данные были получены специалистами «АпАТэК» с помощью плоскостного и сквозного пермеаметров.
• Отсутствие точных данных по режиму вакуумирования, схеме подачи связующего. На конструктивно подобных образцах по данным эксперимента был отработан режим вакуумирования – давление насоса, открытие-закрытие вентилей.
• Необходимо определить такую схему подачи и отвода связующего, чтобы конструкция была пропитана полностью с первого раза. При этом в данной задаче нужно было учесть новые факторы - разветвление обшивки на силовой пояс, пешеходную зону, наличие подкрепляющих элементов.
• Габаритные размеры крыши составляют 9,3х3,1х1,5 м, обшивку подкрепляют 5 основных шпангоутов и 4 торцевых. Укладка 8 слоёв ткани на формообразующий элемент шпангоутов задача сложная, требующая точных индивидуальных подрезов для слоев с различной ориентацией волокон. Поэтому существенную часть стоимости и времени занимала подготовка к пропитке.

В композитном центре ЦАГИ программа PAM-RTM используется как основная для моделирования процесса пропитки в композитах. Ведущие специалисты композитного центра ежегодно посещают международную конференцию JEC и знают о разработках ESI уже много лет.

Решение о принятии на вооружение программы PAM-RTM было принято после анализа других программных комплексов, а также успешных опытов внедрения продуктов ESI на предприятиях авиационного назначения.

Специалисты «АпАТэК» предоставили в композитный центр свои результаты по определению проницаемости наполнителей, схему укладки и результаты пропитки конструктивных образцов. На образце зоны перехода обшивки на силовой пояс проходила корректировка математической модели в PAM-RTM по режиму вакуумирования (давление насоса, время открытия-закрытия вентилей). Время пропитки для образца в эксперименте составило 85 мин, при моделировании в PAM-RTM – 84,5 мин.

Распространение фронта пропитки в конструктивно подобном образце (зоны перехода обшивки на силовой пояс)

После изготовления 1/3 крыши специалисты «АпАТэК» предоставили результаты процесса пропитки крыши. В композитном центре была построена конечно-элементная сетка и проведено моделирование на основе данных полученных на предыдущем этапе. Было установлено, что фронт течения и время пропитки практически совпадают с экспериментом. Время пропитки в эксперименте  составило  92 мин, в PAM-RTM - 95 мин. Необходимо отметить, что в 1/3 крыши было применено более 10 различных укладок композита, с варьируемыми толщинами от 2 до 16 мм и  наличием сложных зон перехода подкрепляющих элементов.

Моделирование полноразмерной крыши в PAM-RTM проходило уже до реальной пропитки крыши. В результате моделирования по предложенной схеме «рыбий скелет» в программе были выявлены потенциально опасные зоны непропитки в силовом поясе и на шпангоутах. Установлено, что во время реальной пропитки в этих зонах действительно начали появляться воздушные пузыри, но с помощью дополнительного вакуумирования данные дефекты удалось ликвидировать.

Выявление дефектов для примененной схемы вакуумирования, также обнаруженные во время реальной пропитки

Благодаря тесному сотрудничеству производственного предприятия «АпАТэК» сотрудникам композитного центра удалось добиться высокого уровня точности расчета в PAM-RTM при моделировании процесса вакуумной инфузии.