多孔注射的控制方法研究

1　注射控制思想的提出

　　树脂从注射口注入模腔，空气从排气口排出，因此注射口和排气口的位置对树脂是否完全浸透预型体产生直接影响，采用何种算法去获得优化的注射口合排气口的位置已是国内外研究人员的一个研究热点。良好的注射口和排气口设计可以消除干斑缺陷并使冲模时间短。目前主要应用的算法有两种，一种为直接的穷举例法(Exhaustive Search），另一种是遗传算法(Genetic Algorithms)。
　　ES方法通过计算每一个可能的位置，在每一个可能的位置进行评估和统计分析，然后进行优化选择。ES法对求解或相对较小的问题是一种可行的方法，但当求解域大或者注射口和排气口的数目增加，ES法将变成不可能。例如，对于一个有1000个节点的有限元网络模型，若只设计一个注射口，存在1000个可能的位置，ES法需要计算1000次；若设计两个注射口，存在1000×999种可能；若需要设计三个注射口，则存在1000×999×998种可能，此时采用ES法来寻找优化注射口，其工作量将是令人生畏的。
　　相对ES方法的不足之处，遗传算法为RTM充模过程中活的优化的注射口和排气口位置这一问题的解决提供更好的选择。
　　遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和进化机制发展起来的高度并形、随机、自适应搜索算法，特别适合于处理传统搜素算法解决不好的复杂和非线性问题。它主要借助了达尔文生物进化论中“适者生存”和“自然选择”规律及Greger Mendel自然遗传学说。生化进化以来集团的形式进行，这个集团称为群体，一个群体则由经过基因编码的一定数目的个体组成，每个个体对其生存环境都由不同的适应能力，这种适应能力称为个体的适应度。假设以群体为其点，经过竞争，根据“适者生存”规律，逐渐演化产生出越来越好的种群。每个适应度的个体生存下来变为种群，适应度底的个体被淘汰。在繁殖下一代时，两个适应度高的个体通过交叉而重组。子代群体在进化的过程中，生物在自然遗传环境中由于各种因素而引起基因变异。子代群体逐渐成长为新群体而取代旧群体，成为新的一个生物进化循环过程中生物进化的开始。与此相应，遗传算法优解的搜索过程也时模拟生物的进化过程。将遗传算子作用于群体中，得到新一代群体，通过群体不断遗传与进化，优个体生存下来成为优化问题的优解或次优解。
　　对于优化问题的对象，可以看作时在有限集合上定义的函数在不同条件下的极值问题。在RTM工艺中，确定设计参数从而获得优化结果的问题，称为目标函数，它表示参数输入和结果输出之间的一种数值关系。RTM工艺中参数输入包括结构几何形状、材料性能参数、注射口和排气口以及注射过程的控制，输出的结果包括树脂流动前沿、充模时间和压力分布，如图4-1所示。

　　目前，国内外研究人员主要针对如何对获得优注射口位置的算法问题进行研究，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，高质量的RTM制品成型工艺不仅仅需要合理的注射口和排气口位置，还需要采用适当的注射控制方式来进一步消除RTM制品的缺陷问题。由此，针对注射过程控制这一研究薄弱环节，特别是多孔注射的控制问题本章进行了探讨。
　　多孔注射是降RTM充模时间、提高生产效率的一种重要措施。多孔注射技术是在模具上设计多个注射口。通过对注射口注射方式和注射时间拘控制来实现制品成型。
　　对于大尺寸、强度要求较高的结构件，注射过程的控制直接影响着制品质量和生产效率，若控制不当，容易产生干斑以及预型体在内压下变形等缺陷。当注入压力越大，充模所需的时间越短，但过大的注射压力对模具要求高而导致成本增加。同时太大的注射压力会导致模腔内部的压力梯度过大从而使预型体发生凹陷变形等。
　　因此，研究多孔注射的控制思想问题基于两个方面，一是将同步注射和非同步注射相结合来进行研究：二是针对模腔压力问题，设置大允许压力，从而改善因过大模腔压力对模具要求高而造成成本较大的问题，同时也防止模腔内部的压力梯度过大从而使预型体发生变形这类缺陷。
　　假设存在一个压力值P_T，当内部压力不大于P_T，认为在此条件下模具满足要求，同时预型体变形在许可范围内，可以确保制品质量。
　　上述问题可以描述为，对于给定的非空集合D，i∈D，满足：

　　在RTM充模过程中，i代表有限元网格模型中的节点，P_i为节点压力，D代表所有节点组成的集合，P_T为设定的大允许压力值。
　　在线检测技术是通过在模腔内埋置传感器来实时检测树脂流动前沿或模腔压力分布情况，具有较高的精度和时效性，因此在线检测技术成为目前国内外研究人员所侧重的热门课题。然而在线检测技术在前期处理如埋置传感器以及后处理方面受到制约，如传感器埋置于模腔，在制品成型后无法取出，同时高精度的传感器成本较高，造成生产成本高等不利因素，因此在工程领域的应用还非常鲜见，多数基于实验室研究。本章借助RTM充模过程的数值模拟软件，结合工程实际中为了改善某越野车发动机面罩出现干斑和在住射口发生凹陷变形的问题，基于给出的控制思想，从恒压注射，恒流量注射，注射口数量及位置，排气口的数量及位置四种因素制成型过程进行探讨，寻求充模过程的优化控制方式，以实现避免缺陷和降低充模时间的目的。