对称玻璃钢大锥环内固化成型研究及数值模拟.pdf

２０１６年第３期玻璃钢／复合材料４９对称玻璃钢大锥环内固化成型研究及数值模拟陈海燕，张希，许家忠，王燕（哈尔滨理工大学，哈尔滨１５０ｏ８０）摘要：采用有限元方法对复合材料对称玻璃钢大锥环内固化成型进行研究，基于ＡＮＳＹＳ仿真软件编写了对称玻璃钢大锥环内固化过程仿真程序，实现玻璃钢大锥环内固化过程温度和固化度变化的数值模拟。结果表明，数值模拟得到的结果符合内固化变化规律；贴近实验数据，模拟准确有效；根据仿真结果得到了玻璃钢大锥环内固化温度变化规律、固化峰值温度随厚度变化规律及锥环不同厚度固化度的变化规律，分析了６００～６６０ＭＷ汽轮发电机的玻璃钢大锥环采用内固化工艺能达到完全固化的厚度范围。该研究为玻璃钢大锥环实现高效、低成本成型提供了新方法。关键词：玻璃钢大锥环；对称成型；内固化工艺；ＡＮＳＹＳ模拟中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１６）０３－００４９－０６１引言大型发电机定子线圈端部的固定是发电机稳定、长期、可靠安全运行的关键¨Ｊ。我国从美国西屋公司引进的大型发电机技术中，定子线圈端部的固定是靠玻璃钢大锥环来实现的，玻璃钢大锥环能抑制电磁振动力及突然短路下产生的巨大的冲击作用力。然而玻璃钢大锥环是国产化难度较高的部件之一。目前，玻璃钢大锥环采用连续纤维缠绕成型（一次成型），同时要制订出相关合理的缠绕成型工艺、最优的固化制度，精确设计缠绕线型，后续还要总结出可行的加工工艺，预测成品的性能等Ｊ。针对玻璃钢大锥环制造成型过程中涉及的诸多问题，本课题只针对玻璃钢大锥环固化成型工艺进行分析及创新研究。玻璃钢大锥环传统固化工艺采用单个连续缠绕成型后通过外接固化炉加热方式固化成型＿５］。由于大锥环内壁较厚，且存在缠绕张力，单纯外固化工艺不利于树脂由里向外迁移，系统中溶剂向外挥发困难，容易形成大量气泡，要使产品固化完全，又要保证均匀的温度场，同时气泡还能及时排出，有国内公司采用分层固化工艺：在芯模上缠绕约１／３厚度的复合材料缠绕层后停止缠绕，接入固化炉使其固化完全，冷却至室温后打磨表面继续第二次缠绕，缠到２／３时进行第二次完全固化，冷却至室温后再进行表面打磨，以此类推直到缠绕及固化完成］。分层固化虽然利于溶剂挥发、气泡排出，保证树脂不会在层间流失，减缓树脂沿壁厚不均匀的问题，但是又会——出现一个大的弊端内部分层现象，即层与层之间不能紧凑密实，降低成型产品抗压抗震能力、易断裂，且生产效率低。另外，单件产品经过多次缠绕、多次固化，增加了产品生产成本。本文研究试用内固化原位成型工艺为主，后固化协同的方法，运用芯模中空通蒸汽升温的结构，完成缠绕与固化同步进行，玻璃纤维束浸润热固性环氧树脂在热芯模外表面缠绕固化成锥环，并且利用对称结构一次可缠两个锥环。芯模为对称可拆分、中空、厚度均匀的金属体，芯模内部中空部位还有芯管与芯模同型、等长，水蒸气、压缩空气和冷却水便是由中空且四周开有小孔的钢制芯管负责输送，达到加热整个芯模腔的目的。具体过程：热蒸汽通过芯管表面设置的ｄ，ＴＬ流人芯模腔，此时芯模开始恒温加热，金属芯模加热后由里到外把热量传递给正在进行缠绕或者已经缠绕好的纤维树脂层，缠绕到一定厚度时进行梯度升温，当达到某一程度温度时，层中树脂就会逐渐升温、粘度下降使内层固化，同时将热量传递给外层，实现内外同时不同温的原位固化，当达到预定缠绕厚度后，缠绕停止，固化继续，直至完成全部固化任务。在结束固化反应过程后，“将冷却水输送至芯管以达到冷却芯模的目的，因热”胀冷缩，芯模与锥环在接触的地方会形成变形空——收稿日期：２０１５１０１４基金项目：黑龙江省自然科学基金（Ｅ２０１３０１）；哈尔滨市优秀学科带头人项目（２０１５ＲＡＸＹＯ０１３）作者简介：陈海燕（１９５９一），女，硕士，教授，主要研究方向为复合材料成ｍＯＴ艺优化设计。通讯作者：张希（１９９１・），女，硕士研究生，主要研究方向为复合材料成型工艺及数值模拟，１１８５３７４０５６＠ｑｑ．ＣＯｒｎ。徊蛹５０对称玻璃钢大锥环内固化成型研究及数值模拟２０１６年３月隙，该空隙有利于脱模，随后再将干燥空气通人芯管，吹干残余的水气，固化结束。因为玻璃钢大锥环形状特殊且采用对称缠绕的结构，所以芯模要与环体形状严格匹配，同时值得说明的是：因为芯管中部是锥环状，为使通入内部的热蒸汽均匀流动，热量均匀分布，可以在芯管内部两端均匀等间距设置带孔“”导热板，如此可以避免锥环大小端形状导致芯管热量传递不均匀的问题。图１为对称大锥环内固化成型工艺原理图。管图１对称大锥环内固化成型工艺原理图Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｈｅａｔｉｎｇｃｕｒｉｎｇｏｆｓｙｍｍｅｔｒｉｃｌａｒｇｅｃｏｎｅｓ内固化的优点：对称大锥环在内部热压作用下由内向外逐层固化，利于层与层间复合材料密实和树脂流动，便于气泡排出，避免不必要的分层，保证大锥环的产品性能，提高其抗震能力；简化传统的缠绕与固化设备之间的多次装卸和多次运输过程ｊ，前期在一套装备上进行玻璃钢大锥环的缠绕和固化，实现原位固化，降低生产成本，提高生产效率。本文基于有限元仿真软件ＡＮＳＹＳ和ＡＰＤＬ参数化语言开发玻璃钢大锥环内固化过程的数值模拟仿真程序，实现对称玻璃钢大锥环温度和固化度变化规律的数值模拟研究，作为玻璃钢大锥环今后采用内固化成型工艺的参考和理论依据。２内固化工艺数学模型２．１热一化学模型本文对玻璃钢大锥环进行固化过程分析，锥环固化过程中内部的温度分布由复合材料传热速率和固化反应生热速率决定。对温度场的分析实质上是一个有非线性内热源的热传导问题＿１。。采用热力学热传导定律和能量平衡原理建立大锥环内固化热传导模型，取锥环内任意一微元分析１１，１２３：ｐｃ＝（＋（ｋｙ＋（害（１）方程中，Ｐ、ｃ分别为复合材料的密度与比热；Ｔ为绝对温度；￡为加温时间；ｋ、ｋｋ分别为、Ｙ和方向材料的导热系数；ｒ为径向；ｐＨｒ警为固化反应生热率。２．２固化动力学模型树脂固化反应是在经验方程基础上建立的¨：竿＝，Ｋ（））（２）“－厂（，Ｋ（Ｔ））＝Ｋ（Ｔ）（１＋）（１一）（３）Ｋ（Ｔ）＝Ａｅｘｐ（）（４）其中，（７１）为固化速率；为频率因子；Ｅ为活化能；ｍ、为反应级数；为气体常数。Ａ、Ｅ、ｍ、ｎ均可由试验确定。理论上来讲，上述传统模型完全适用于玻璃钢大锥环内固化成型的分析计算，但实际在模拟中需要明确内热源的位置，固定内热源的发热点，以利于固化成型中内固化可以原位固化。由上述热．化学模型和固化动力学模型整合计算，可以得到在制备过程中玻璃钢大锥环内部任意位置和任意时刻的温度和固化度分布。而实现热．化学模型和固化动力学模型的数值求解，需要利用有限元法分析计算。有限元法用来解决较复杂的循环迭代及耦合问题，适应于形状复杂的模型，计算精度高［１，采用这种方法可以建立内固化传热过程中温度和固化度的数值分析模型。所以本文采用有限元法求解玻璃钢大锥环内固化过程的热一化学模型和固化动力学模型，从而实现对玻璃钢大锥环内固化过程中温度和固化度的求解。２０１６年第３期玻璃钢／复合材料５３会越高，且该处固化开始时间越晚。由于内固化是原位成型，大锥环各节点同时不同温，环体厚壁内部必然有优先固化层，而固化了的复合材料的导热性能与未固化及未完全固化浸润环氧树脂的玻璃纤维导热性能差异很大，直接影响后续复合材料缠绕固化的状态，从而固化有效范围之外固化历程不能再正常进行下去。４实验验证通过对玻璃钢大锥环内固化过程中锥环表面观察节点１、２、３的温度测量，来检验数值模拟的准确性。其中，节点３即壁厚７ｃｍ处，属于材料可固化厚度过渡段，验证该点的温度变化更有实际的说服力。实验采用ＷＲＥ．６２５传感器的参比端与Ｅ５ＣＣ／ＥＣ传感器输入端连接的方法，节点１、节点２和节点３的位置处分别接人ＷＲＥ．６２５的参比端，测量温度时接通电源即可。全程记录Ｅ５ＣＣ／ＥＣ上显示的温度数据，然后将测量的实验值和固化程序模拟的值进行对比分析，如图７一图９所示。由图可见，仿真曲线和实验测定数据能较好地吻合，因此本文中针对模拟玻璃钢大锥环内固化过程所采用的数值模拟方法是准确有效的。图７节点１的模拟结果与实验数据对比Ｆｉｇ．７Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｎｎｏｄｅ１图８节点２的模拟结果与实验数据对比Ｆｉｇ．８Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｎｎｏｄｅ２图９节点３的模拟结果与实验数据对比Ｆｉｇ．９Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｎｎｏｄｅ３５后固化综上，由温度和固化度曲线可见，外层始终无法达到要求的温度和固化度，因此外接固化炉，恒温１６０ｏＣ继续后固化，直至使大端近外层３ｃｍ厚没有固化的复合材料全部固化。整个过程保证了在最短的时间内使大锥环整体完全固化。６结论（１）利用ＡＮＳＹＳ仿真软件编写了玻璃钢大锥环内固化成型过程的仿真程序，对玻璃钢大锥环内固化过程的温度与固化度变化规律进行了模拟，并与实际实验测量数据进行对比，两者能较好地吻合，模拟准确有效；（２）单纯采用内固化对厚壁玻璃钢大锥环进行固化，在计划时间内很难达到整个锥环完全固化，即严格按照加温历程能完全固化的厚壁最厚为７ｃｍ，为了达到预期目标，有必要进行后固化，先后采用内外固化制度共同完成对称玻璃钢大锥环的固化任务，较传统三次缠绕、三次外固化，减少了缠绕与加温固化次数，保证了所用时间最短，增加了产品成型数量，提高了产品的成型效率；（３）解决厚壁处内部优先固化影响热传导问题成了今后研究者必须要克服的难题，否则影响固化进度，导致厚壁不能达到预期固化效果，影响产品成型；（４）本文研究为实现玻璃钢大锥环高效、低成本成型提供新思路，为玻璃钢大锥环内固化成型工艺设计提供模型和方法，发现玻璃钢大锥环内固化过程中的弊端，为之后针对研究玻璃钢大锥环内固化过程提供了解决问题的必要方法。随峨簇５４对称玻璃钢大锥环内固化成型研究及数值模拟２０１６年３月参考文献［１］李瑞，王益轩，郭艳利，等．大型汽轮发电机定子端部复合材料—大锥环的设计与制造［Ｊ］．上海大中型电机，２０１３（１）：１９２３．［２］高丹，王益轩，梁瑜洋，等．大型汽轮发电机复合材料大锥环的—设计与研究［Ｊ］．大电机技术，２０１５（２）：１８２２．［３］田开谟，刘再阳．６ｏ万千瓦汽轮发电机玻璃钢大锥环的研制［Ｊ］．纤维复合材料，１９９２（４）：５－１０．［４］姚国萍，张仁龙，周芩芩，等．１０００ＭＷ发电机定子端部玻璃钢大锥环的国产化研究［Ｊ］．绝缘材料，２００６（１）：４－６．［５］姚国萍．百万级发电机大锥环实现国产化［Ｎ］．中国工业报，２００６（Ｂ０２）．［６］周芩芩．６００－６６０ＭＷ汽轮发电机用环氧浸渍缠绕玻璃钢大锥环的研制［Ｊ］．上海大中型电机，２００４（４）：４３．［７］陈利民，吴东，毕赤毅，等．缠绕复合材料固化工艺研究［Ｊ］．工—程塑料应用，２００４，３２（１Ｏ）：２６２７．［８］许家忠，乔明，尤波，等．纤维缠绕复合材料壳体原位成型工艺—研究［Ｊ］．材料科学与工艺，２００９，１７（２）：１９１１９４．—［９］ＢｏｇｅｔｔｉＴＡ，ＧｉｌｌｅｓｐｉｅＪＷ．Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｄｕｃｅｄｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ—ｉｎｔｈｉｃｋｓｅｃｔｉｏｎｔｈｅｒｍｏｓｅｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍ．—ｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９２，２６（５）：６２６６６０．—［１０］ＣＯＦＦＥＮＢＥＲＲＹＢ．Ｓ．，ＨＡＮＢＥＲＤ．Ｅ．，ＣＩＲＩＮＯＭＬｏｓｔｃｏｓｔａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｉｎ・ｓｉｔｕｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｒ］．３８ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳＡＭＰＥＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ：Ａｎａｈｅｉｍ，１９９３：１６４０－１６５０．［１１］ＦｅｒｎｌｕｎｄＧ，ＯｓｏｏｌｙＡ，ＰｏｕｒｓａｒｔｉｐＡ，ｅｔａ１．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｂａｓｅｄ—ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｄｕｃｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｕｔｏｃｌａｖｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇ２Ｄｐｒｏｃｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ３Ｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＪｏｕｍａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００３，６２：２２１１４．［１２］郭战胜，杜善义，张博明，等．厚截面树脂复合材料的温度场—研究［Ｊ］．复合材料学报，２００４，２１（５）：１２２１２７．［１３］杨梅，晏石林，谭华．ＲＦＩ工艺过程的数值模拟［Ｊ］．武汉理工—大学学报，２００５，２７（１２）：１０１３．［１４］王新颖．复合材料壳体热缠绕过程数值模拟研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，２０１ｌ：１２．１３．［１５］周忠平．６００～６６０ＭＷ汽轮发电机缠绕玻璃钢大锥环：ＣＮ—２７２０７０５Ｙ［Ｐ］．２００５．０８２４．ⅡＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳＵＬＡＴＩｏＮｏＦＴＨＥＩＮ－ＳＩＴＵＣＵＲＩＮＧｏＦＳＹＭＭＥＴＲＩＣＦｌｉＰＬＡＲＧＥＣｏＮＥＳ——ＣＨＥＮＨａｉｙａｎ，ＺＨＡＮＧＸｉ，ＸＵＪｉａｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧＹａｎ（ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｆｏｒｍｉｎｇｏｆＦＲＰｌａｒｇｅｃｏｎｅｓｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈＦＥＭ（ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ—ｍｅｔｈｏｄ）．ＴｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍｉｓｗｒｉｔｔｅｎｂａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｄｅｇｒｅｅｏｆｃｕｒｉｎｇｃｈａｎｇｅｉｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓｔｏｉｎｔｅｒｎａｌｃｕｒｉｎｇｃｈａｎｇｅｌａｗ，ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｄｕｒ—ｉｎｇｔｈｅｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅＦＲＰｌａｒｇｅｃｏｎｅｓ，ｔｈｅｈｅａｔｐａｓｓｅｓｆｒｏｍｔｈｅｉｎｎｅｒｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｔｏｉｔｓｏｕｔｅｒｌａｙｅｒａｎｄｔｈｅｐｅａｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅｃｏｍｅｓｈｉｇｈｅｒｆｒｏｍｔｈｅｉｎｎｅｒｌａｙｅｒｔｏｏｕｔｅｒｌａｙｅｒ．Ｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｃｕｒａｂｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｃｕｒｉｎｇｔｉｍｅｂｅｃｏｍｅｓｓｈｏｒｔｅｒｇｒａｄｕａｌｌｙｆｒｏｍｔｈｅｉｎｎｅｒｌａｙｅｒｔｏｏｕｔｅｒｌａｙｅｒ．ＷｈｅｎｔｈｅｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌＦＲＰｌａｒｇｅｃｏｎｅｓｇｅｔｔｈｉｃｋｅｒ，ｔｈｅｔｉｍｅｒｅａｃｈｉｎｇｔｏｐｅａｋｇｅｔｓｌａｔｅｒ，ｔｈｅｐｅａｋｂｅｃｏｍｅｓｈｉｇｈｅｒａｎｄｔｈｅｃｕｒｉｎｇｔｉｍｅｂｅｃｏｍｅｓｌａｔｅｒ．ＦＲＰｌａｒｇｅｃｏｎｅｓｏｆ６００￣６６０ＭＷｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｃｏｍｐｌｅｔｅｓｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄｐａｒｔｆｏｒｔｈｅｔｈｉｃｋｅｓｔ７ｃｍｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｎａ——ｌｈｅａｒｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔ．Ｍｏｒｅｔｈａｎ７ａｍｐａｒｔｓｏｆＦＲＰｌａｒｇｅｃｏｎｅｓｃａｎｔｒｅｃｅｉｖｅｈｅａｔ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅＦＲＰｌａｒｇｅｃｏｎｅｓｉｓｔｏｏｔｈｉｃｋａｎｄｉｎｎｅｒｌａｙｅｒｃｕｒｅｄｐａｒｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｅａｔｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈｉｎｔｈｅｐｒｅｓｃｒ—ｉｂｅｄｔｉｍｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｈｅａｔｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ＦＲＰｌａｒｇｅｃｏｎｅｓｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｓｍａｌｌｄｉａｍｅｔｅｒｃａｎｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙｃｏｍｐｌｅｔｅｔａｓｋｏｆｃｕｒｉｎｇ．Ｐａｒｔｓｏｆｎｏｉｎｔｅｍａｌｈｅａｔｉｎｇｃｕｒｉｎｇｃａｎｒｅａｌｉｚｅｆｕｌｌｃｕｒｉｎｇａｆｔｅｒｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＲＰｌａｒｇｅｃｏｎｅｓ；ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｓｈａｐｅ；ｉｎｔｅｒｎａｌｈｅａｔｃｕｒｉｎｇ；ＡＮＳＹＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ