3. 仿真前处理基础
复合材料成形工艺仿真（如RTM充模、热压罐固化、拉挤、缠绕等）的求解精度，八成取决于前处理质量。前处理包含四件事：几何建模、材料属性定义、网格划分、边界条件设置。它们不是四个独立步骤，而是一条相互制约的链条——几何的简化程度决定网格能否画好，网格尺寸决定材料参数在单元上的等效方式，边界条件的施加位置又依赖几何上的面与边。本节按这条链条逐项展开，并给出可复用的参数示例。
一、几何建模：从CAD到可网格化的“干净”模型
复合材料构件常带有圆角、倒角、拔模斜度、铺层台阶和预成型体贴合面。直接导入CAD往往得到大量微小面、缝隙和干涉，导致网格质量崩溃。前处理阶段应做“仿真级简化”，原则是：保留影响流动、传热和应力路径的特征，删除只影响外观的特征。
具体操作上：小于最小网格尺寸1/3的圆角可改为直角或直接抑制；厚度方向若采用壳单元或实体单元，需明确中面抽取或实体保留；预成型体与模具型腔之间应建立共形面，避免出现穿透。以某平板RTM件为例，尺寸300 mm×200 mm×5 mm，注胶口位于短边中心，出胶口在对面短边。几何处理时保留注胶口Φ10 mm的圆柱通道，删除模具外部的定位凸台，将型腔简化为一个长方体加一个入口圆柱，这样后续结构化网格才能顺利生成。
几何清理后应检查三项：模型是否封闭（无自由边）、法向是否一致、单位是否统一（建议mm-N-MPa-s制）。这三项不通过，后面所有设置都是无效的。
二、材料属性定义：把工艺物理量填进本构
复合材料成形仿真的材料属性不是一组常数，而是随温度、固化度、纤维体积分数变化的曲线或表格。以碳纤维/环氧树脂预成型体为例，RTM充模阶段需要的关键参数包括：
- 渗透率张量：Kxx、Kyy、Kzz，单位m²。单向纤维预成型体典型值Kxx≈1×10⁻¹⁰ m²，Kyy≈Kzz≈1×10⁻¹² m²，各向异性可达两个数量级。
- 孔隙率：通常0.4～0.6，直接影响渗透率与纤维体积分数换算。
- 树脂黏度：η(T, α)，注胶温度下典型值0.1～1.0 Pa·s，需以表格形式输入黏度-温度-固化度关系。
- 固化动力学：如Kamal模型，给出k₁、k₂、m、n及Arrhenius参数。
- 热物性：密度ρ、比热Cp、导热系数λ，固化阶段还需固化放热Hr。
定义时要注意方向约定：渗透率张量的主方向必须与纤维铺放方向一致。若纤维沿x轴，则Kxx为高渗透方向；若在几何中旋转了坐标系，材料方向也要同步旋转，否则流动前沿会算反。建议在材料卡片中显式写出局部坐标系与全局坐标系的夹角，并在后处理中检查压力场是否沿纤维方向衰减更慢。
三、网格划分策略：单元类型、尺寸与质量指标
复合材料成形仿真常用三类网格：壳单元用于薄壁预成型体充模与固化，实体单元用于厚截面或三维流动，混合网格用于复杂模具。选择依据是厚度方向是否存在显著梯度：若厚度方向温差或固化度差小于5%，壳单元足够；否则用至少3层实体单元。
网格尺寸的确定遵循“特征尺寸优先”原则：注胶口附近、流动前沿汇合区、模具拐角处应加密。以300 mm×200 mm平板为例，全局尺寸取5 mm，注胶口周围2 mm，厚度方向若用实体则分3层，每层约1.67 mm。这样单元总数约(300/5)×(200/5)×3=7200个六面体，计算量可控。
质量指标必须检查：雅可比比＞0.6，长宽比＜5（流动方向可放宽到10），翘曲度＜0.1，自由边为0。若出现负体积或严重畸变，优先回到几何清理，而不是强行光顺网格。
四、边界条件设置：把工艺窗口翻译成求解器输入
边界条件是前处理中最容易出错的一环，因为它直接对应实际工艺参数。RTM充模常用两类入口条件：定流量（注胶机恒流模式）和定压力（恒压罐模式）。定流量时入口速度由Q/A计算，Q为体积流量，A为入口截面积；定压力时入口压力直接给定，流量由渗透率反算。两者不能同时施加，否则方程过约束。
以示例平板为例：入口流量Q=2×10⁻⁶ m³/s，入口面积A=π×(5 mm)²≈78.5 mm²，则入口法向速度v=Q/A≈2.55×10⁻² m/s。出口设为压力0（通大气），壁面为无滑移，模具温度120 ℃，树脂初始温度25 ℃。这些数值不是随意取的，而是与注胶机量程、模具加热能力匹配后的合理假设。
固化阶段边界条件则换成模具壁面温度随时间变化曲线（如升温速率2 ℃/min，保温120 min），以及模具与预成型体之间的接触热阻。接触热阻取值对厚度方向温差影响显著，典型值1×10⁻⁴～1×10⁻³ m²·K/W，需根据实际模具表面状态选取。
五、前处理参数速查表
| 项目 | 典型取值/设置 | 判断依据 |
|---|---|---|
| 几何简化阈值 | 圆角＜最小网格/3 抑制 | 网格质量不崩溃 |
| 渗透率 Kxx | 1×10⁻¹⁰ m² | 单向纤维预成型体 |
| 渗透率 Kyy=Kzz | 1×10⁻¹² m² | 横向渗透低两个量级 |
| 树脂黏度 | 0.1～1.0 Pa·s | 注胶温度下 |
| 全局网格尺寸 | 5 mm | 平板类构件 |
| 入口加密尺寸 | 2 mm | 捕捉压力梯度 |
| 厚度方向层数 | ≥3层 | 存在温度/固化度梯度 |
| 入口流量 | 2×10⁻⁶ m³/s | 注胶机量程内 |
| 模具温度 | 120 ℃ | 树脂体系工艺窗口 |
| 接触热阻 | 1×10⁻⁴～1×10⁻³ m²·K/W | 模具表面状态 |
前处理没有“一键完成”的捷径。几何清理是否彻底、材料方向是否对齐、网格是否在关键区域加密、边界条件是否与工艺模式一致，这四件事决定了后续求解是得到可解释的物理场，还是得到一堆无法判断对错的彩色云图。把前处理当作工艺设计的一部分，而不是软件操作的准备步骤，仿真结果才具备指导成形的价值。