在复合材料生产过程中，模具制造和产品加工占成本比例较高。SCRIMP（Seamann Composites Resin Infusion Mnufacturing Process）具有低成本、环境友好和适用于大型构件等优点。在SCRIMP工艺中，保证基体树脂充分浸渍增强材料是确保产品质量的关键，而导流通道的布置是保证树脂对纤维增强材料浸渍进度和质量的关键因素。
SCRIMP成型的制件，避免出现白斑、分层、薄厚不均等质量问题的必要条件是树脂对纤维预制体充分浸润。实际应用中制件逐渐向更复杂结构和更大尺寸发展，导致流道设计难度大，树脂流动不易控制，从而树脂对纤维的浸润性差。
树脂注胶流道设计是SCRIMP工艺的关键环节。合理的注胶流道设计不仅可以缩短树脂在预制体内的渗透时间，而且还可以避免渗透过程中干斑、富树脂等缺陷的形成。传统树脂流道设计是以工程经验为主，辅以试错法，而实际制造零件时，树脂在复杂结构预制体中的流动状态和流动轨迹的复杂程度仅靠工程试验很难准确掌握，而且还需要消耗大量的人力和物力。树脂的操作时间是流道设计需要考虑的重要参数。流道设计前，应对树脂体系进行凝胶试验，确定凝胶时间，避免进行无效的流道设计。渗透率是进行面层充模仿真十分关键的参数，一般通过渗透率测试装置通过试验获得。
水滴形截面的大型构件的成型，在保证胶液在织物表面快速流动的同时，也要保证胶液在织物层间的充分渗透。本文在达西定律的基础上采用实验法测得了SCRIMP工艺玻璃纤维渗透率，通过模拟分析软件建立水滴形截面典型构件的有限元模型，对不同流道设计方案进行分析对比。
一典型构件充模过程模拟分析
本文以一种具有水滴形截面的复合材料结构为典型构件，对其灌注过程进行仿真分析。该结构内部为刚度相对较大的骨架支撑结构，间隔填充轻质耐压材料的型芯，外部为纤维增强复合材料面层。
不同于一般的复合材料制品，典型构件在型芯表面形成一个封闭壳体，不得通过后期的加工进行连接或拼接，要求产品一体成型，表面连续。
采用SCRIMP工艺制造构件表面可减少模具成本，采用轻质的真空辅助材料制作产品更具可操作性。采用SCRIMP工艺成型构件面层时，纤维的浸润受到增强织物铺层、流道排布、成型温度的影响，不合理的流道、 注胶口（流道）和出胶口设计会使制品表面形成白斑、树脂富集等缺陷，影响结构整体刚度和强度，以及局部界面粘接强度。通过工艺仿真进行树脂充模过程模拟，对不同设计方案进行对比研究，得到最优方案，指导产品成型工艺的实施。典型构件结构示意如图1所示。
图1. 典型构件结构示意图
3.1
分析方案
与已知的大型薄壳结构（如风电叶片）不同，风电叶片是柳叶形敞口结构，成型时上下两部分分别成型后进行粘接，而典型构件是连续的封闭结构，如图1所示，不允许后期加工和粘接，目前没有文献报道过类似结构的成型方法。进行流道设计时，考虑面层为对称结构，注胶口为上下面层对称设置，对三种方案进行分析，如图2所示。
方案1：上下面层中心位置设置注射口，舵尖角位置设置出胶口；
方案2：随缘边设置线注胶流道（绿色点线），导缘位置设置线出胶流道（蓝色点线）；
方案3：沿轴方向中心线位置环形设置线注胶流道（蓝色点线），导缘和随缘位置设置线出胶流道（绿色点线）。
图2. 灌注方案设计
3.2有限元模型及参数设置
采用三维建模软件建立了有限元模型，由于面层为薄壳结构，网格划分采用壳单元，共3445个单元，如图3所示。
图3. 典型构件有限元模型
蒙皮成型过程中考虑重力对胶液流动的影响，重力加速度的设置应与实际充模过程一致，在软件中设置为X+方向。还需要对树脂流动区域的材料参数和工艺参数进行设置，如表1所示。
表1. 材料性能及工艺参数
3.3计算结果与分析
上下面层中心点注射树脂流动过程如图4所示，树脂在真空压力作用下不断以注射点为中心向四周推进，扩散边界呈椭圆形，在前后端汇合后逐渐填满面层，在尖端发生包围交汇， 用时约360min。
从导缘边进行注射的充模过程如图5所示，胶液流动前锋在随缘边交汇，用时约240min。
充模时间如表2所示。
图4. 面层中心注射充模过程
图5. 单边注射充模过程
表2. 注射过程模拟结果
典型构件为封闭式结构，上下面层注胶流道应保持同步设置，可保证胶液前锋流动的一致性，方案3中注胶管沿舵轴线方向呈环形设置。面层中心线注射如图6所示，以中心注胶流道为起始边逐步向两侧流动，在导缘和随缘端交汇，用时约60min。
图6. 面层中心线注射充模过程
产品灌注过程不应超过树脂体系适用期，以避免灌注过程中树脂流动区域内出现凝胶，进而产生浸渍不透的现象，导致产品表面白斑、缺胶等问题。树脂凝胶试验表明，充模过程应控制在50min内。由表2可知，方案3最接近产品充模过程时间控制要求。因此，对方案3进行进一步的优化研究。在方案3的基础上，为进一步缩短注射时间，设计了接力注射方案，
方案3-1：沿舵轴方向中心线位置环形设置3条线注胶流道（黄色和绿色点线位置），导缘和随缘位置设置线出胶流道（蓝色点线位置）；
方案3-2：沿舵轴方向中心线位置环形设置5条线注胶流道（黄色、蓝色和绿色点线位置），导缘和随缘位置设置线出胶流道（红色点线位置）。即在树脂流动区域内设置沿舵轴方向设置多条环形注胶流道，充模时依次顺序开启/关闭注射点进行胶液吸注，以达到胶液快速流动浸透织物的目的。流道布置具体方案如图7所示。
图7. 流道布置方案
接力注射对注胶口的开启时机要求较为严格，过早开启下一级注胶口会造成局部气体包络， 形成缺陷。方案3-1中流道间距设置为700mm，由中心流道向两侧排列的流道分别为2级流道、3级流道。
在2级流道外侧设置感应器，触发条件为该处填充率达到100%时发出开启/关闭信号。使用感应器1（位于流道2外侧）进行模拟，注胶口开启和关闭过程如图8所示，流道附近有明显的树脂流动干涉区域，充模结束后，该处面层易形成干斑，如图9所示。
图8. 充模过程流程图
图9. 面层局部包气示意图
为避免出现干涉现象，对注胶口开放时机进行优化。根据铺层厚度及工艺试验结果，以胶液流动前锋位置确认注胶口的开启时机。使用感应器2（位于流道2外侧）进行充模模拟，产品充模过程如图10~11所示，胶液流动前锋基本保持一致，在注胶口顺序开启的时间节点，无紊流现象，灌注时间约2320s。
图10. 接力（单面3注胶口）充模过程
图11. 接力（单面5注胶口）充模过程
当胶液流动一定距离后，其浸透速度会因阻力增加明显减缓，为在浸透速率减缓前及时开启下一级注胶口，在方案3-2中将流道间距缩短至400mm，相应的由中心流道向两侧排列的流道分别为2级流道、3级流道、4级流道。采用方案3-1中感应器2进行充模模拟，结果表明进一步缩短了充模时间，同时不影响产品的浸润效果，如表3所示。
表3. 接力注射模拟结果
通过对不同流道设置方案进行仿真分析发现，环形流道的设置可保证树脂胶液在织物表面及内部的流动路径可控，前锋基本一致，有利于对不同方案进行参数调整。多线程连续注射方案可有效的减少充模时间，方案3-2的充模时间较方案3减少了50%以上，保证树脂适用期内完成充模。
二典型构件样机 SCRIMP 工艺验证
采用本文的流道设计，进行3m×4m典型构件样机的制作，产品成型过程如图12所示，样机成型充模时间约为28min，与仿真结果相差约10% 。
对样机进行外水压、疲劳、抗扭等试验考核，产品无破坏和渗漏，成型后产品表面质量如图13所示。
图12. 产品成型过程
图13. 产品成型后表面质量
结语本文采用有限元方法对大型水滴形截面异型典型构件进行充模过程模拟，可预测胶液流动区域的充模情况，分析流道设计的可行性，对该类型构件成型具有指导意义。
模拟结果表明采用多线程接力注射方案可有效缩短产品充模时间，满足工程生产需求；根据工艺试验结果设计注胶口开启时机，过早开启易导致产品缺陷。
采用多线程接力注射方案制作了1:1典型构件样机，理论计算充模时间与实际相差约10%，方案可行。
来源：《纤维复合材料》（作者：丁萍；张作朝；郑宏雪；柴朋军）
