編輯：科盛科技技術支援部 高級工程師 林哲平

大綱

目前風力葉片大多採用複合材料為主體材料，複合材料以一定層數纖維上下包裹住中間的芯材，形成類似三明治的結構，此種結構能夠在保有一定結構強度下，有效減輕風力葉片重量。目前主流芯材以PVC及巴沙木為主流，且為了灌注的順暢，在芯材上會有一定寬度的刻溝。為了獲得高精確的模擬結果，不同於傳統的RTM模擬方式，必須要將纖維和刻溝同時進行模擬。

挑戰

由於芯材包含了刻溝和孔道，本案例不僅是要模擬常見的純纖維RTM，也要挑戰更複雜的幾何結構，增加模擬的困難度。

解決方案

Moldex3D RTM 模組可以針對各個疊層定義不同的屬性及纖維排向，有利於模擬複雜的RTM製程。其獨特的等效滲透率功能，精準的模擬PVC 芯材裡刻溝與流道的流動特性，達到模擬與實驗結果比對高度的準確性。

效益

• 精準模擬三明治結構流體行為
• 簡化RTM模擬流程，縮短開發週期
• 優化製程

案例研究

現行研究中多將用於強化的芯材及纖維布視為單一物件，並以達西定律描述其特徵：

在方程式中，u和μ代表流動黏性和樹脂黏性；K和ϕ則為流動介質的滲透率和孔隙率；∇P是壓力梯度。在此計算模式之下，導流網和無纖維區域的流動特徵就無法去耦合，從而限制了所開發模型的準確性和靈活性。

本案例中，清大團隊使用的研究模型為三明治結構的複合材材料，其結合了玻璃布及含有刻溝的PVC芯材(圖一)。實驗方法則為真空輔助樹脂轉注成型(VARTM)(圖二)。

圖一 三明治結構模型：(a)示意圖、(b)物件實體照及(c)模擬中的實體網格。

圖二 本案例之實驗方法

清大團隊使用有限體積法，分別模擬樹脂在PVC芯材中含纖及不含纖(例如刻溝)區域時的流動行為(圖三)。芯材尺寸為480×320×10.2 mm3。芯材中有兩種刻溝，其中長方形的刻溝寬1 mm、深8.2 mm，以縱橫交錯方式排列，兩條最接近的平行刻溝距離約為29 mm；此外有408條垂直圓柱形刻溝， 直徑2 mm、深10.2 mm，平均分配在芯材中。清大團隊以達西定率模擬樹脂流動。在設計完芯材結構之後，藉由達西定律以等效滲透率對通道內部的流動行為進行建模。這樣可以使用相同類型的控制方程式來設計整個模擬，使邊界條件的設置相對容易。

圖三 實體網格及模擬屬性設定

將模擬結果與實驗結果進行比較以說明該模型的可行性，結果顯示，模擬的流動模式成功證明了實際觀察到的流動模式（圖四）。 此外所提出的模擬架構也具備處理多種芯材和纖維組合的彈性，是產業應用中非常需要的功能。

圖四 實驗與模擬結果的流動波前時間比較

結果

本研究中，清大團隊藉Moldex3D RTM模組獨特的等效滲透率功能，精準的模擬PVC 芯材裡刻溝與流道的流動特性，模擬與實驗結果高度相符。由於現場實驗只能將攝影機架設於產品上下，而無法觀察到芯材內部的流動情況；但透過Moldex3D可視化平台，便可有效解決這項難題。清大團隊期望藉由此模擬技術被廣泛應用於風電和汽車等複合材料產業，有效的協助廠商縮短優化週期。