多孔注射的控制方法研究

1　注射控制思想的提出

　　樹脂從注射口注入模腔，空氣從排氣口排出，因此注射口和排氣口的位置對樹脂是否完全浸透預型體產生直接影響，采用何種算法去獲得優化的注射口合排氣口的位置已是國內外研究人員的一個研究熱點。良好的注射口和排氣口設計可以消除干斑缺陷并使沖模時間短。目前主要應用的算法有兩種，一種為直接的窮舉例法(Exhaustive Search），另一種是遺傳算法(Genetic Algorithms)。
　　ES方法通過計算每一個可能的位置，在每一個可能的位置進行評估和統計分析，然后進行優化選擇。ES法對求解或相對較小的問題是一種可行的方法，但當求解域大或者注射口和排氣口的數目增加，ES法將變成不可能。例如，對于一個有1000個節點的有限元網絡模型，若只設計一個注射口，存在1000個可能的位置，ES法需要計算1000次；若設計兩個注射口，存在1000×999種可能；若需要設計三個注射口，則存在1000×999×998種可能，此時采用ES法來尋找優化注射口，其工作量將是令人生畏的。
　　相對ES方法的不足之處，遺傳算法為RTM充模過程中活的優化的注射口和排氣口位置這一問題的解決提供更好的選擇。
　　遺傳算法是一種借鑒生物界自然選擇和進化機制發展起來的高度并形、隨機、自適應搜索算法，特別適合于處理傳統搜素算法解決不好的復雜和非線性問題。它主要借助了達爾文生物進化論中“適者生存”和“自然選擇”規律及Greger Mendel自然遺傳學說。生化進化以來集團的形式進行，這個集團稱為群體，一個群體則由經過基因編碼的一定數目的個體組成，每個個體對其生存環境都由不同的適應能力，這種適應能力稱為個體的適應度。假設以群體為其點，經過競爭，根據“適者生存”規律，逐漸演化產生出越來越好的種群。每個適應度的個體生存下來變為種群，適應度底的個體被淘汰。在繁殖下一代時，兩個適應度高的個體通過交叉而重組。子代群體在進化的過程中，生物在自然遺傳環境中由于各種因素而引起基因變異。子代群體逐漸成長為新群體而取代舊群體，成為新的一個生物進化循環過程中生物進化的開始。與此相應，遺傳算法優解的搜索過程也時模擬生物的進化過程。將遺傳算子作用于群體中，得到新一代群體，通過群體不斷遺傳與進化，優個體生存下來成為優化問題的優解或次優解。
　　對于優化問題的對象，可以看作時在有限集合上定義的函數在不同條件下的極值問題。在RTM工藝中，確定設計參數從而獲得優化結果的問題，稱為目標函數，它表示參數輸入和結果輸出之間的一種數值關系。RTM工藝中參數輸入包括結構幾何形狀、材料性能參數、注射口和排氣口以及注射過程的控制，輸出的結果包括樹脂流動前沿、充模時間和壓力分布，如圖4-1所示。

　　目前，國內外研究人員主要針對如何對獲得優注射口位置的算法問題進行研究，如Ali Goke和Suresh.G.Advani的BBS（Branch and Bound Search）算法，Pham  DT和Karaboga的SA(simulated Annealing)的算法等。
　　然而，高質量的RTM制品成型工藝不僅僅需要合理的注射口和排氣口位置，還需要采用適當的注射控制方式來進一步消除RTM制品的缺陷問題。由此，針對注射過程控制這一研究薄弱環節，特別是多孔注射的控制問題本章進行了探討。
　　多孔注射是降RTM充模時間、提高生產效率的一種重要措施。多孔注射技術是在模具上設計多個注射口。通過對注射口注射方式和注射時間拘控制來實現制品成型。
　　對于大尺寸、強度要求較高的結構件，注射過程的控制直接影響著制品質量和生產效率，若控制不當，容易產生干斑以及預型體在內壓下變形等缺陷。當注入壓力越大，充模所需的時間越短，但過大的注射壓力對模具要求高而導致成本增加。同時太大的注射壓力會導致模腔內部的壓力梯度過大從而使預型體發生凹陷變形等。
　　因此，研究多孔注射的控制思想問題基于兩個方面，一是將同步注射和非同步注射相結合來進行研究：二是針對模腔壓力問題，設置大允許壓力，從而改善因過大模腔壓力對模具要求高而造成成本較大的問題，同時也防止模腔內部的壓力梯度過大從而使預型體發生變形這類缺陷。
　　假設存在一個壓力值P_T，當內部壓力不大于P_T，認為在此條件下模具滿足要求，同時預型體變形在許可范圍內，可以確保制品質量。
　　上述問題可以描述為，對于給定的非空集合D，i∈D，滿足：

　　在RTM充模過程中，i代表有限元網格模型中的節點，P_i為節點壓力，D代表所有節點組成的集合，P_T為設定的大允許壓力值。
　　在線檢測技術是通過在模腔內埋置傳感器來實時檢測樹脂流動前沿或模腔壓力分布情況，具有較高的精度和時效性，因此在線檢測技術成為目前國內外研究人員所側重的熱門課題。然而在線檢測技術在前期處理如埋置傳感器以及后處理方面受到制約，如傳感器埋置于模腔，在制品成型后無法取出，同時高精度的傳感器成本較高，造成生產成本高等不利因素，因此在工程領域的應用還非常鮮見，多數基于實驗室研究。本章借助RTM充模過程的數值模擬軟件，結合工程實際中為了改善某越野車發動機面罩出現干斑和在住射口發生凹陷變形的問題，基于給出的控制思想，從恒壓注射，恒流量注射，注射口數量及位置，排氣口的數量及位置四種因素制成型過程進行探討，尋求充模過程的優化控制方式，以實現避免缺陷和降低充模時間的目的。