一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁RTM成型方法及模具

本发明属于碳纤维增强树脂基复合材料液体成型，涉及一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法及模具。

背景技术：

1、碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度以及优异的耐疲劳性能，近年来被广泛应用于轨道交通装备大型承载结构件的制造中。rtm技术通过在闭合模具内注入液态树脂，使树脂充分浸润纤维预制体并固化形成复合材料制件的技术，具有成型效率高、制件内部质量稳定以及适用于复杂结构制造等显著特点。

2、轨道车辆碳纤维复合材料侧梁结构通常具有尺寸跨度大、厚度大以及截面变化复杂等特点。对于大厚度预制体，其纤维体积分数较高，树脂在厚度方向及长度方向上的流动阻力较大；同时，复杂变截面结构使不同区域的流动通道和充模阻力存在差异。如果采用单一进胶口及恒定流量的常规rtm灌注方式，随着树脂流动距离增加，模腔内压力梯度及充模时间容易增大，局部区域可能出现树脂浸润不足、干斑等缺陷。特别是在大厚度区域，若为提高充模速度而持续采用较高灌注流量，又容易导致预制体局部扰动、纤维洗刷及结构变形，并且难以脱模。因此，针对大厚度复杂变截面侧梁，需要从注胶方式、灌注流量、模腔压力以及成型模具等方面对成型过程进行协同控制。

3、例如，专利cn221022427u公开了一种适用于磁悬浮列车连接梁的hp-rtm工艺成型模具，利用上外模、下外模以及与连接梁半封闭腔体相配合的软模或消失模构成组合式成型模具，并通过密封胶条保证模腔密封，在连接梁不同半封闭腔体对应位置设置注胶口，以实现复杂结构连接梁的hp-rtm成型，但是该技术主要针对复杂连接梁的hp-rtm模具结构及高压快速注胶成型，未针对大厚度、复杂变截面预制体在树脂流动前沿推进过程中流动距离及局部充模阻力不断变化的特点，对灌注流量进行动态调节；同时，其模具采用上、下外模配合软模或消失模的结构形式，因此在大厚度复杂变截面侧梁的均匀浸润、灌注过程稳定控制及复杂结构脱模方面仍存在进一步改进空间。

4、因此，研究一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法及模具，以解决现有技术中存在的问题，具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法及模具。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，采用包括上模组件、分体式下模组件、镶块组件、多个注胶口和多个出胶口的rtm模具对大厚度复杂变截面碳纤维侧梁预制体进行成型；

4、大厚度复杂变截面碳纤维侧梁预制体的平均成型厚度不小于30mm，且局部最大厚度不小于40mm；

5、上模组件、分体式下模组件共同形成封闭模腔；

6、镶块组件设置于大厚度复杂变截面碳纤维侧梁预制体两端，镶块组件与侧梁端部内部空腔（即由大厚度复杂变截面碳纤维侧梁预制体内壁围成的内部空腔）相适配，以限制树脂进入非成型空腔；

7、在对模腔持续抽真空的条件下，通过多个注胶口向置于模腔内的大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁预制体注射树脂，并通过多个出胶口排气；根据树脂充模状态的反馈逐级降低灌注流量，同时将注胶压力控制在预设上限以下；待树脂充满模腔后经固化、脱模，得到大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁。

8、针对大厚度、复杂变截面侧梁在rtm成型过程中脱模困难及因树脂流动路径长、充模阻力大、浸润不均匀以及结构复杂导致的内部质量缺陷等问题，本发明提供一种以多点注胶、持续真空辅助、梯度流量控制和便于脱模为核心的大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法。具体构思如下：

9、（1）针对树脂流动路径长：本发明采用沿侧梁长度方向布置多个注胶口的多点注胶方式，将传统单端注胶的长距离流动转化为多个区域同步充模过程。这缩短了最大流动距离，降低了预制体内部流动过程中的压力损失，使远距离区域能在较短时间内获得树脂供应，提高了整体充模效率。

10、（2）针对充模阻力大：本发明通过树脂预热脱泡、持续真空辅助及梯度流量控制共同作用降低阻力。树脂预热降低了初始黏度，提高了流动能力；持续真空辅助在模腔内形成稳定负压，提高了树脂进入预制体的驱动力；梯度流量控制避免了单纯提高压力造成的预制体扰动，同时保证了大厚度区域的供胶能力。

11、（3）针对浸润不均匀：本发明通过多点注胶与动态流量调整协调控制不同截面区域的流速。对于复杂变截面中低阻区易发生快速流动、高阻区易滞后的问题，本发明通过降低局部高压力区域的流速，同时保持高阻区域持续供胶，使不同区域树脂前沿更加同步推进，提高了整体浸润均匀性。

12、（4）针对脱模困难：本发明采用分体式左、右下模结构及可拆卸镶块组件，使模具分离方向与侧梁结构特点相匹配。改变了传统单方向脱模方式，实现了多方向释放结构约束，避免了复杂截面区域产生机械干涉，提高了脱模可靠性。

13、作为优选的技术方案：

14、如上所述的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，大厚度复杂变截面碳纤维侧梁预制体沿长度方向具有至少两个截面尺寸不同的区域，从而使不同区域的树脂流动阻力产生差异。

15、如上所述的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，逐级降低灌注流量是指灌注流量依次为16g/s、12g/s、10g/s和8g/s，且灌注过程中流量不低于5g/s（5g/s是考虑设备调节、流动阻力变化及阶段切换过程中可能出现的瞬时流量波动所设置的工艺下限，用于避免流量过低导致树脂前沿推进过慢、局部提前凝胶或浸润不充分）。本发明通过高流量快速建立充模流动、再逐级降低流量的方式，降低大厚度及变截面区域的充模阻力变化对树脂浸润均匀性的影响，并降低预制体扰动风险。

16、如上所述的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，注胶压力的预设上限为0.8mpa。

17、如上所述的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，模腔抽真空至-0.1mpa（表压）后进行保压气密性检测，保压10min内压力下降不超过0.004mpa。

18、如上所述的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，注射树脂前对树脂进行预热和真空脱泡处理，以降低树脂黏度并减少气泡对浸润过程的影响，处理温度为100±5℃，真空度≤-0.095mpa（表压）。

19、如上所述的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，树脂为低粘度环氧树脂，其在rtm灌注温度（90℃）下具有足够流动性，能够在无外加高压的条件下浸润纤维预制体、充填入预制体孔隙；优选地，90℃时的动力粘度不高于800mpa·s，例如，可选牌号为ac 1326 rtm，厂商为中航复合材料有限责任公司。

20、如上所述的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，固化采用分阶段升温，包括125~135℃保温2~3h，随后升温至145~155℃保温0.8~1.2h，最后升温至175~185℃保温0.8~1.2h。

21、一种rtm模具，用于实施如上所述的大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，包括上模组件、分体式下模组件和可拆卸镶块组件；

22、分体式下模组件包括沿侧梁长度方向分离设置的左下模和右下模；

23、上模组件与分体式下模组件共同形成封闭模腔；

24、左下模设有多个注胶口，左下模、右下模及上模组件设有多个出胶口；多个注胶口和出胶口共同构成适用于大厚度复杂变截面侧梁的灌注及排气路径，为梯度流量灌注提供多点注胶条件；

25、可拆卸镶块组件设置于大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁预制体两端，与侧梁端部非成型空腔相适配，用于限制树脂进入非成型空腔。

26、作为优选的技术方案：

27、如上所述的一种rtm模具，上模组件与分体式下模组件的结合面以及左下模与右下模的结合面均设置密封槽并装配耐高温硅胶密封圈，用于保证多点注胶及真空辅助灌注过程中模腔的密封性；

28、上模组件与分体式下模组件的结合面还设置虎口式定位结构，可实现合模过程中的快速定位和准确导向；

29、多个注胶口沿侧梁长度方向设置，以对大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁预制体进行分区注胶；

30、左下模一侧设置5个注胶口，左下模、右下模及上模组件共设置14个出胶口。

31、发明原理：

32、本发明是针对大厚度、复杂变截面碳纤维复合材料侧梁在rtm成型中树脂流动阻力大、浸润不充分、脱模困难的问题的而提出的解决方案。该类构件的核心矛盾在于：提高灌注压力和流速虽能克服充模阻力、缩短充模时间，却会冲刷厚壁区预制体，造成纤维移位并产生干斑等缺陷；反之降低压力和流速虽能保护预制体，又会造成充模缓慢、浸润不足，传统的恒压或恒流量灌注方式难以同时兼顾充模效率与预制体稳定性。为此，本发明提出了全新的动态控制手段——依据树脂充模状态的反馈，在充模前期预制体覆盖少、阻力低时采用高流量快速建立流场，随着树脂前沿推进至变截面高阻区，主动逐级下调灌注流量，并将注胶压力锁定在阈值（0.8mpa）以下，使充模效率与预制体稳定性同时得到满足。

33、上述控制逻辑的落地依赖于两个配套手段：其一，通过沿长度方向布置的多个注胶口实施多点注胶，配合模腔持续抽真空，把单端长距离流动拆分为多区域同步充模，缩短最大流动距离、降低沿程压损并提供额外牵引驱动力，从而压低充模阻力、为梯度控制争取时间；其二，以分体式下模组件和可拆卸镶块组件构筑密闭边界与进料通道——可拆卸镶块组件作为高压密闭挡板封堵侧梁端部非成型空腔、阻止树脂溢入，分体式下模组件则将脱模由单方向拔模转变为左右下模两侧分离释放、消除复杂截面的机械干涉。由此，“多点注胶—持续真空—梯度流压双控—分体下模与镶块”四者环环相扣，在高充模效率下实现低孔隙率、均匀浸润并完全杜绝了纤维洗刷缺陷。

34、有益效果：

35、（1）本发明的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，通过多个注胶口对大厚度复杂变截面预制体实施分区灌注，并结合持续真空辅助和梯度流量控制，使树脂在充模初期具有较高流动能力，在流动前沿推进及模腔逐渐充满后降低灌注流量，从而兼顾充模效率与预制体稳定性；同时通过控制注胶压力，降低高流量灌注过程中纤维洗刷和预制体变形的风险。

36、（2）本发明的一种大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法，针对现有大厚度、复杂变截面侧梁在rtm成型过程中脱模困难及因树脂流动阻力大、浸润不充分以及结构复杂导致的内部质量缺陷等问题，提供一种以多点注胶、持续真空辅助、梯度流量控制和便于脱模为核心的大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法。

37、（3）本发明的一种用于大厚度复杂变截面碳纤维复合材料侧梁rtm成型方法的rtm模具，配套采用分体式下模组件和可拆卸镶块组件，可降低大型模具的加工及装配难度，便于脱模，为上述成型方法提供稳定的封闭模腔和灌注通道。