高分子強(qiáng)化複合材料產(chǎn)品的曲面需要複雜的疊層設(shè)計(jì)，在進(jìn)行樹脂轉(zhuǎn)注成型(RTM)製程建模時(shí)，須根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的疊層，建立對(duì)應(yīng)的實(shí)體網(wǎng)格；本文舉出驗(yàn)證案例比較說(shuō)明非匹配網(wǎng)格與匹配網(wǎng)格模擬結(jié)果的差異。
高分子強(qiáng)化複合材料產(chǎn)品常見(jiàn)的曲面，往往需要複雜的疊層設(shè)計(jì)，因此在進(jìn)行樹脂轉(zhuǎn)注成型(RTM)製程建模時(shí)，須根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的疊層，建立對(duì)應(yīng)的實(shí)體網(wǎng)格。若遇到曲面複雜的疊層，網(wǎng)格製作難度非常高，還須耗費(fèi)許多時(shí)間在網(wǎng)格前處理上。否則模擬結(jié)果不理想，也會(huì)影響後面結(jié)果的判讀。
Moldex3D過(guò)去的版本在RTM的網(wǎng)格前處理上會(huì)較為耗時(shí)；在流道設(shè)計(jì)變更時(shí)，也會(huì)需要重新製作實(shí)體網(wǎng)格。另外某些案例在模擬分析時(shí)，會(huì)有波前破碎問(wèn)題，以及內(nèi)部壓力超過(guò)入口壓力的狀況。為了克服這些挑戰(zhàn)，Moldex3D 2021版本的RTM求解器中，支援了非匹配網(wǎng)格的分析；同時(shí)也強(qiáng)化了求解器計(jì)算，解決波前與壓力的問(wèn)題，獲得更佳的分析結(jié)果。
若在RTM求解器尚未支援非匹配網(wǎng)格的情況下，如圖1(a)所示，進(jìn)行RTM專案前處理時(shí)，需要生成完全匹配的實(shí)體網(wǎng)格，如圖1(b)所示。如此使用者就須檢查網(wǎng)格是否完全匹配，並解決網(wǎng)格的問(wèn)題才能進(jìn)行分析。Modex3D 2021 RTM求解器支援了非匹配網(wǎng)格求解器分析後，交界面的實(shí)體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不需要完全匹配，即可進(jìn)行分析，如此可替使用者省下修復(fù)實(shí)體網(wǎng)格的時(shí)間。
建立非匹配網(wǎng)格模型的步驟與建立匹配網(wǎng)格相同。若遇到想要評(píng)估疊層與流道設(shè)計(jì)變更時(shí)，就不需要將所有的網(wǎng)格全部刪除重新建立，僅需要調(diào)整部份的網(wǎng)格。
| 圖1 : (a)匹配網(wǎng)格、(b)非匹配網(wǎng)格 |
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以下驗(yàn)證案例比較非匹配網(wǎng)格與匹配網(wǎng)格模擬結(jié)果的差異。此案例的模型是根據(jù)滲透率量測(cè)儀器Easyperm所建立，儀器外觀如圖2(a)，模具內(nèi)部如圖2(b)，依照模穴幾何建立的模型如圖2(c)所示。SNX1、SNX2、SNY1、SNY2是模具內(nèi)部壓力感測(cè)器位置，非匹配網(wǎng)格如圖3(a)(b)；圖3(c)(d)與圖4是模擬結(jié)果；圖4中NM simu是非匹配網(wǎng)格的模擬結(jié)果，M simu是匹配網(wǎng)格的模擬結(jié)果。從感測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化的比較結(jié)果可以看出，非匹配網(wǎng)格與匹配網(wǎng)格有一致的模擬結(jié)果。
本案例中波前時(shí)間結(jié)果最大的誤差約4%，且圖3(c) (d)非匹配網(wǎng)格交界面速度向量與壓力場(chǎng)分佈連續(xù)。由此驗(yàn)證案例可以看出，計(jì)算所使用的網(wǎng)格模型不再需要完全的匹配，也能獲得與匹配網(wǎng)格相符的模擬結(jié)果。
| 圖2 : (a)Easyperm儀器外觀、(b) Easyperm量測(cè)模具內(nèi)部、(c)模型幾何與模具內(nèi)部壓力感測(cè)點(diǎn)位置 |
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| 圖3 : (a)驗(yàn)證案例的網(wǎng)格模型、(b)非匹配網(wǎng)格、(c)速度向量、(d)壓力分佈 |
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| 圖4 : 感測(cè)點(diǎn)壓力變化與波前時(shí)間誤差 |
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第二個(gè)驗(yàn)證案例使用非匹配網(wǎng)格，測(cè)試改變流道的位置與流道的數(shù)目結(jié)果的差異。圖5(a)中流道佈置使用一條流道、圖5(b)中流道佈置使用二條流道。從圖5(c) (d)案例可以看出流動(dòng)時(shí)間與波前時(shí)間結(jié)果的差異。
| 圖5 : (a)佈置一條流道的網(wǎng)格、(b)佈置二條流道的網(wǎng)格；(c)佈置一條流道案例的波前時(shí)間結(jié)果、(d)佈置二條流道案例的波前時(shí)間結(jié)果 |
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以往在RTM模擬的部份案例會(huì)遇到波前破碎問(wèn)題。Moldex3D 2021 RTM模組的計(jì)算核心優(yōu)化了波前計(jì)算，以得到較好的模擬結(jié)果。從圖6可以看出一特定案例在求解器的波前計(jì)算優(yōu)化前後的結(jié)果差異。
| 圖6 : (a)計(jì)算核心強(qiáng)化前、(b)計(jì)算核心強(qiáng)化後結(jié)果 |
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RTM製程常常以內(nèi)部抽真空，透過(guò)內(nèi)外壓差將樹脂吸入，此時(shí)入口的壓力為0.1 MPa，若遇到複雜疊層時(shí)，壓力有可能會(huì)計(jì)算失準(zhǔn)，導(dǎo)致內(nèi)部壓力超過(guò)入口最大的壓力。 Moldex3D 2021 RTM模組之求解器也強(qiáng)化了壓力計(jì)算，解決此問(wèn)題，得到合理的壓力分佈。從圖7案例中可看壓力計(jì)算優(yōu)化前後的差異，最大的壓力不會(huì)大於入口壓力。
| 圖7 : (a) 計(jì)算核心強(qiáng)化前最大壓力0.122 MPa、(b)計(jì)算核心強(qiáng)化後結(jié)果為0.1 MPa |
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Moldex3D求解器支援非匹配網(wǎng)格計(jì)算，可以減少許多前處理處理網(wǎng)格修復(fù)時(shí)間和瓶頸，幫助使用者更快了解製程參數(shù)條件對(duì)結(jié)果的影響，並及早解決生產(chǎn)會(huì)遇到的問(wèn)題。此外，求解器的優(yōu)化可以得到精確的模擬結(jié)果，提升模擬效率。
（本文作者楊巡為科盛科技產(chǎn)品處技術(shù)副理）
