SUPERVISOR
سید محسن صفوی (استاد راهنما) عبدالرضا کبیری عطا آبادی (استاد مشاور)
STUDENT
Hadi Iraji
هادی ایرجی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Simulation of Resin Injection Molding Process and Optimal Design of VARTM Mold for Fabrication of Marine Vehicle Composite Sonar Dome
Composite construction is now the material of choice for sonar domes on surface ships and submarines. The domes provide a smooth flow around sonar transducers and protect them from impact damage. Protective dome of underwater sonar devices should comply with specific requirements with respect to acoustic behavior and protection. That’s why conventional steel crusts are being replaced by composites in the sonar industry in many developed countries as well as in Iran. Investigation of material properties indicated that good sonar transmission at various frequencies was achievable with composite material. When this attribute is coupled with weight-saving, freedom from maintenance and corrosion, and ease of fabrication of complex shapes. In this research the flow of resin and the parameters which affect it during vacuum assisted resin injection molding are analyzed. This is the process selected for the production of the composite protective structure. This process is commonly used in the production of large-sized high-quality composite items in small numbers. It involves a stiff mould half and a flexible membrane that seals the cavity. Vacuum is used to consolidate the preform, and atmospheric pressure drives low viscosity resin into the mould cavity. The part is cured at room temperature. A high permeability medium is added to the preform, in order to reduce infusion time. This material modifies flow dynamics during preform infusion. Proper filling of the mold and soaking of the fibers are critical in vacuum assisted resin injection molding. Inadequate soaking can result in faulty items and higher costs. Because of their common inability to properly model the process, manufacturers mostly prefer to use traditional manual methods. These methods, however, involve the use of larger amounts of resin which in turn results in higher evaporation and pollution and lower quality and durability of the final product. Simulation of the flow of resin can be a good way for ascertaining the proper filling of molds before the resin is congealed. Hence we studied the process and the equations and parameters involved in the modeling of the flow of resin. To conduct this study, we measured permeability and porosity of three types of glass fiber tissue and the way these parameters changed with pressure. The results were fed to a computer program for analysis. During the VARTM process, the flow front velocity changes imply that impregnated preform thickness, the porosity and the permeability values of the wet area varies with pressure gradient. The preform porosity decreased as the pressure increased and was affected by compaction of the preform locally with the pressure gradient. Preform permeability changed due to the compaction and flow pressure. It was increased as the compaction pressure increased and decreased as the Flow pressure increased. The largest effect of compaction pressure on permeability and in general the preform permeability decreased as the compaction and flow pressure were increased. Simulation was done using Fluent software (Ansys) and the results were compared to experimental ones so that their validity could be established. Simulated process times show 10% to 20% error which is probably due to error in the measurement of parameters, thickness changes during simulation not being accounted for, and general software error. The optimal strategy for resin injection was eventually determined through trial and error. Key words Modeling, Resin Injection, VARTM, Composite, sonar dome
پوشش محافظ سونار کامپوزیتی بر روی کشتی های سطحی و زیر دریایی ساخته و استفاده می شود. این پوشش محافظ گنبدی شکل، جریانی آرام تولید و از آسیب ضربه به سونار جلو گیری می کند. پوشش محافظ سونار شناور دریایی همیشه از نظر ویژگی آکوستیکی و همچنین، استحکام لازم مورد توجه بوده است . در ایران نیز مانند کشور های پیشرفته جهان برای تولید سازه ای با این دو ویژگی به سراغ مواد کامپوزیتی به جای مواد فولادی رایج رفته اند. در این پژوهش چگونگی مدل سازی جریان رزین و پارامتر های مؤثر بر آن در فرآیند قالب گیری تزریق رزین تحت خلأ [1] بررسی و تحلیل می شود. این فرآیند جهت ساخت سازه پوشش محافظ سونار کامپوزیتی انتخاب شده است. قالب گیری انتقال رزین تحت خلأ برای ساخت مواد کامپوزیتی بزرگ، با کیفیت بالا و در تعداد محدود استفاده می شود. تزریق در خلأ شامل یک نیمه قالب سفت و یک پوسته انعطاف پذیر است که حفره قالب توسط آن پوشیده می شود. خلا برای مستحکم کردن لایه های الیاف استفاده شده و فشار اتمسفر، رزین با ویسکوزیته پایین را به سمت حفره قالب هدایت می کند. قطعه در دمای اتاق به عمل می آید. به منظور کاهش زمان تزریق، ماده hy;ای با نفوذ پذیری بالا به بر روی لایه های الیاف اضافه شده که این ماده دینامیک توزیع جریان را در طی تزریق رزین بین الیاف بهبود می بخشد. پُرشدن کامل قالب با آغشته سازی مناسب الیاف مسئله ای ضروری در قالب گیری تزریق رزین در خلأ می باشد. نتیجه نقص در آغشته سازی الیاف، قطعه معیوب و صرف هزینه اضافی است. به علت ناتوانی در شبیه سازی این فرآیند، تولید کنندگان بیشتر به استفاده از روش های سنتی دستی تمایل دارند. در روش های سنتی، به دلیل مصرف بالای رزین، آلودگی های ایجاد شده از طریق تبخیر رزین بالا بوده و استحکام محصول نهایی پایین می آید. بنابراین، شبیه سازی جریان رزین از میان الیاف، گامی مهم برای حصول اطمینان از فرآیند پر شدن قالب قبل از ژل(سفت) شدن رزین می باشد. به این منظور فرآیند تزریق رزین تحت خلأ ، معادلات حاکم بر مدل سازی جریان رزین و پارامترهای مربوطه بررسی گردید. در این راستا، ابتدا تغییرات پارامتر های نفوذپذیری، تخلخل نسبت به فشار سه مدل الیاف شیشه توسط آزمایش اندازه گیری شده و نتایج حاصل در تحلیل های نرم افزاری مورد استفاده قرارگرفته است. در طی فرآیند VARTM، تغییرات سرعت جبهه جریان نشان می دهد که مقدار ضخامت الیاف، تخلخل و نفوذپذیری ناحیه آغشته شده با گرادیان فشار تغییر می کند. تخلخل الیاف، با افزایش فشار کاهش می یابد که تحت تأثیر تراکم لایه های الیاف به صورت موضعی، با گرادیان فشار است. نفوذپذیری نسبت به فشار جریان و فشار تراکم تغییر می کند که با افزایش فشار جریان، میزان نفوذپذیری افزایش و با افزایش فشار تراکم نفوذپذیری کاهش می یابد. تأثیر فشار تراکم بر میزان نفوذپذیری بیشتر بوده و به طور کلی با افزایش فشار تراکم و فشار جریان، نفوذپذیری کاهش می یابد. فرآیند برای نمونه هایی ساده، توسط نرم افزار رایانه ای Fluent شبیه سازی و جهت صحت سنجی نتایج نرم افزار با تست های عملی انجام گرفته، مقایسه گردیده است. این مقایسه نشان دهنده حدود 10 تا 20 درصد خطای شبیه سازی می باشد. خطای اندازه گیری پارامتر ها، در نظر نگرفتن تغییرات ضخامت طی شبیه سازی و خطای نرم افزار از جمله علت های خطا در شبیه سازی حدس زده می شود. در نهایت نیز با سعی و خطای نرم افزاری، استراتژی بهینه تزریق رزین مورد نیاز جهت ساخت پوشش محافظ سونار کامپوزیتی تعیین شده است. کلمات کلیدی: 1- مدل سازی 2- تزریق رزین 3-VARTM 4- کامپوزیت 5- پوشش محافظ سونار [1] VARTM ( V acuum A ssisted R esin T ransfer M olding) or VIP