大丝束碳纤维束内横向动态渗透率计算方法及数值验证

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.09.010

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (9): 54-59.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.09.010

大丝束碳纤维束内横向动态渗透率计算方法及数值验证

翟孟雷¹, 陈文广¹, 黄明¹(), 雷金宇¹, 张娜¹, 刘春太¹, 高国利²

^1.郑州大学橡塑模具国家工程研究中心，郑州 450002
^2.深圳市银宝山新科技股份有限公司，广东深圳 518108

收稿日期:2024-01-15 出版日期:2024-09-26 发布日期:2024-09-27
通讯作者: 黄明（1978—），男，教授，博士，研究方向为高分子及其复合材料成型与数值模拟，huangming@zzu.edu.cn
E-mail:huangming@zzu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2019YFA0706802);深圳市科技计划(CJGJZD20210408092602006)

Calculation method and numerical verification of transverse dynamic permeability in large⁃tow carbon fiber tows

ZHAI Menglei¹, CHEN Wenguang¹, HUANG Ming¹(), LEI Jinyu¹, ZHANG Na¹, LIU Chuntai¹, GAO Guoli²

^1.National Engineering Research Center for Advanced Polymer Processing Technology，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China
^2.Shenzhen Silver Basis Technology Co，Ltd，Shenzhen 518108，China

Received:2024-01-15 Online:2024-09-26 Published:2024-09-27
Contact: HUANG Ming E-mail:huangming@zzu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对现有理论方法无法体现纤维浸润性对渗透率影响的局限性，推导了纤维丝束浸渍过程的毛细压力解析表达式和横向动态渗透率计算公式。采用相场法开展了树脂浸渍纤维丝束过程的数值模拟。结果表明，相场法得到的毛细压力数值解与本文的解析解总体趋势一致且相差较小，证明了本文方法计算毛细压力的可靠性。并开展了纤维体积分数和接触角对动态渗透率的影响研究，结果表明，本文方法能较好地表征纤维浸润性对渗透率的影响，实现了对不同浸渍半径处渗透率的动态预测。相较于现有的渗透率计算方法，本文方法适用性更强、计算结果更为准确。

关键词: 毛细现象, 树脂流动, 动态渗透率, 数值模拟, 复合材料

Abstract:

In view of the limitation that the existing theoretical methods cannot reflect the influence of fiber wettability on permeability， the analytical expression of capillary pressure and the calculation formula of lateral dynamic permeability of fiber tow impregnation process were derived. The numerical simulation of the process of resin impregnated fiber tows was carried out by using a phase field method. The simulation results indicated that the numerical solution of the capillary pressure obtained by the phase field method was consistent with the analytical solution obtained from this paper. This proved the reliability of the developed method. The effects of fiber volume fraction and contact angle on the dynamic permeability were studied. The results indicated that this method could better characterize the effect of fiber wettability on the permeability and realize the dynamic prediction of the permeability at different impregnation radii. Compared to the existing permeability calculation methods， the developed method is more applicable and the calculation results are more accurate.

Key words: capillarity, resin flow, dynamic permeability, numerical simulation, composity

中图分类号:

TQ320.66

翟孟雷, 陈文广, 黄明, 雷金宇, 张娜, 刘春太, 高国利. 大丝束碳纤维束内横向动态渗透率计算方法及数值验证[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 54-59.

ZHAI Menglei, CHEN Wenguang, HUANG Ming, LEI Jinyu, ZHANG Na, LIU Chuntai, GAO Guoli. Calculation method and numerical verification of transverse dynamic permeability in large⁃tow carbon fiber tows[J]. China Plastics, 2024, 38(9): 54-59.

图/表 12

图1 树脂浸渍纤维预制件示意图

Fig.1 Schematic diagram of resin impregnated fiber preform

图2 纤维丝束横截面及其结构

Fig.2 Cross section and structure of fiber tow

图3 树脂浸渍纤维丝束过程

Fig.3 Resin impregnation process of fiber tow

图4 不同维度树脂前沿弯曲液面

Fig.4 Curved liquid surface of resin front in different dimensions

理论模型	横向渗透率
Gebart模型	$K G e b a r t = r f 2 c 1 (V f m a x V f - 1) 2.5$
细胞模型	$K C e l l = r f 2 (1 - V f) 8 V f l n (1 V f) - 1.5 + 2 V f - V f 2 2$

理论模型	横向渗透率
Gebart模型	$K G e b a r t = r f 2 c 1 (V f m a x V f - 1) 2.5$
细胞模型	$K C e l l = r f 2 (1 - V f) 8 V f l n (1 V f) - 1.5 + 2 V f - V f 2 2$

表1 横向渗透率理论分析模型

Tab.1 Theoretical analysis model of transverse permeability

表1 横向渗透率理论分析模型

Tab.1 Theoretical analysis model of transverse permeability

图5 纤维束浸渍模拟模型

Fig.5 Simulation model of fiber tow impregnation

纤维数N

纤维半径r_f/

μm

纤维体积分数

纤维间距d/

μm

丝束半径r₀/

μm

表2 不同体积分数时的纤维束参数

Tab.2 Different fiber tow parameters

介质	密度/kg·m^-3	动力黏度/Pa·s	表面张力系数/N·m^-2
树脂	1 200	0.3	0.035 4
空气	1.225	1.789×10⁃⁵	-

表3 两种流体介质的参数

Tab.3 Parameters of two kinds of fluid media

图6 不同纤维体积分数下纤维束浸渍过程模拟

Fig.6 Simulation of fiber tow impregnation process under different fiber volume fraction

图7 不同纤维体积分数和接触角时毛细压力数值解与解析解对比

Fig.7 Comparison between numerical and analytical solutions of capillary pressure under different fiber volume fraction and contact angle

图8 不同纤维体积分数和接触角时径向速度随浸渍半径变化曲线图

Fig.8 The variation curve of radial velocity with impregnation radius under different fiber volume fraction and contact angle.

图9 本文计算动态渗透率与传统模型计算结果对比

Fig.9 The dynamic permeability calculated in this paper is compared with that of the traditional model

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Calculation method and numerical verification of transverse dynamic permeability in large⁃tow carbon fiber tows

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