塑料CAE設(shè)計--安全系數(shù).doc

塑料以其質(zhì)量輕、設(shè)計空間大、制造成本低、性能優(yōu)異的顯著特點，成為了二十一世紀汽車、電子、家電等工業(yè)領(lǐng)域最好材料的選擇之一。尤其是工程塑料，以其較高的拉伸強度、彎曲彈性模量、耐熱性，在有承載要求的結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用日益廣泛。為達到預(yù)期使用壽命，工程師采用傳統(tǒng)的思路一安全系數(shù)來設(shè)計產(chǎn)品。但塑料注塑件設(shè)計的失敗通常發(fā)生在設(shè)計者不明白不同載荷條件下的安全系數(shù)與塑料的行為(呈現(xiàn)與時間、溫度相關(guān)的黏塑性)的關(guān)系，以及注塑加工過程對設(shè)計強度的影響，從而導(dǎo)致注塑件斷裂、變形的各種失效。1 注塑件的強度設(shè)計及預(yù)測1.1 注塑件的強度設(shè)計安全系數(shù)是衡量產(chǎn)品能達到預(yù)期使用壽命的能力，它給出了零件在任意操作條件下都不會失效的保證。與金屬零件不同，對于塑料注塑件而言，其安全系數(shù)的設(shè)計不僅僅要考慮材料本身的性能，還應(yīng)該能補償零件從加工到成型整個過程的缺陷，以及后續(xù)使用過程的波動。材料性能安全系數(shù)，用于在零件設(shè)計初期階段的材料選擇。在快速裝配(如卡扣)和壓力裝配的應(yīng)用場合，主要利用塑料的彈性變形性能，要求塑料發(fā)生彈性變形但不能發(fā)生塑性變形，因此，材料安全系數(shù)可基于屈服應(yīng)力來計算，即n快速裝酊肝力裝配=6屈服/6許用。而對于柔性鉸鏈的應(yīng)用場所，失效形式表現(xiàn)為斷裂，此時，材料安全系數(shù)是基于極限應(yīng)力來計算，即17,柔性鉸鏈=6板限/8許用。在許用應(yīng)力一定情況下，材料的屈服應(yīng)力或極限應(yīng)力越高，其安全性能越好。設(shè)計安全系數(shù)，不僅與載荷類型有關(guān)，還與塑料的力學(xué)特性(呈現(xiàn)與時間、溫度相關(guān)的黏塑性)有關(guān)。典型載荷類型、塑料的相關(guān)性質(zhì)與安全系數(shù)的不同分類如表1。表1 塑料特性、載荷特點與安全系數(shù) 1)靜態(tài)安全系數(shù)：當(dāng)外部載荷為短時載荷時，比如組裝或使用時偶爾短時加載，該種載荷下零件強度主要與材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線中的屈服強度有關(guān)，此時的安全系數(shù)體現(xiàn)為靜態(tài)安全系數(shù)。2)時間安全系數(shù)：當(dāng)零件在較長時間內(nèi)承受較大外載荷，比如過盈配合、扣位或螺紋緊固，此時，載荷表現(xiàn)出長期性特點。對于塑料材料而言，隨著時間變化，將發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，零件承受這種載荷時應(yīng)考慮塑料材料的蠕變特性來進行零件的安全系數(shù)計算，以避免發(fā)生應(yīng)力斷裂，或者發(fā)生應(yīng)力松弛而導(dǎo)致配合松動。3)動態(tài)安全系數(shù)：當(dāng)零件在長時間范圍內(nèi)承受間斷或周期的外部載荷時，就需要利用塑料材料的S-N特性來設(shè)計零件的安全系數(shù)。4)沖擊安全系數(shù)：對于高速或沖擊載荷(高速載荷是指速度大于1 m/s;而沖擊載荷指的是速度大于50 m/s)，需要避免載荷施加在殘余應(yīng)力或裝配應(yīng)力大的區(qū)域，應(yīng)采用屈服強度來設(shè)計零件的安全系數(shù)。當(dāng)寬度、厚度發(fā)生改變時，應(yīng)采用光滑的大圓角設(shè)計來避免應(yīng)力集中;加工過程安全系數(shù)，主要用來補償注塑成型缺陷所導(dǎo)致的強度降低，這些注塑成型缺陷包括熔接痕、氣泡、應(yīng)力集中等。操作條件安全系數(shù)，主要用來補償特殊的操作條件，如儲藏、運輸和使用過程中的過熱、過冷或過高的相對濕度、紫外線照射、鹽水浸泡、腐蝕介質(zhì)環(huán)境，也就是說，耐候性條件對操作條件安全系數(shù)影響很大。對于應(yīng)用在過高或過低溫度的場合，應(yīng)避免零件問的熱膨脹系數(shù)差異過大，給與零件較大的間隙以容納材料隨溫度變化的伸縮。1.2注塑件的強度預(yù)測塑料件的強度不僅依賴于材料本身，也與零件幾何形狀、施加在零件上的載荷特點、注塑成型缺陷等有關(guān)。制造商對最終出貨產(chǎn)品的檢驗驗證，包括耐久性驗證、承載能力、高溫高濕測試等，非常重視。但這些性能若等到試模樣品才能進行，則風(fēng)險高得多。因此，需要對注塑件的強度及其加工過程進行預(yù)測，而傳統(tǒng)的解析計算方法對復(fù)雜零件幾乎難于應(yīng)用。通用數(shù)值模擬軟件如Ansys、Marc等，能夠利用零件的3維CAD模型，虛擬施加預(yù)期應(yīng)用場合的載荷或其他條件后，預(yù)測出零件的動態(tài)或靜態(tài)強度，更為準確地計算零件的設(shè)計安全系數(shù)，以優(yōu)化零件設(shè)計。注塑件的專用模流分析Moldflow、HSCAE及Moldex等軟件，能夠預(yù)測塑料在注塑模具內(nèi)的充填、冷卻情況和由此帶來的成型缺陷，包括：熔接痕、氣泡、應(yīng)力集中，更為準確地預(yù)測注塑缺陷所帶來的安全系數(shù)損失，以優(yōu)化模具設(shè)計及工藝設(shè)定，從而減少零件差錯，降低生產(chǎn)成本。2 注塑件強度的預(yù)測、驗證案例2.1注塑件的斷裂驗證如圖1零件材料為ABS，在使用中偶爾發(fā)生斷裂，為分析斷裂原因，采用Ansys軟件進行結(jié)構(gòu)強度分析。首先測試獲得ABS的應(yīng)力應(yīng)變，彈性模量2.5GPa，拉伸強度約為44 MPa，采用Solidi87網(wǎng)格劃分模型，忽略沖擊影響，假設(shè)載荷為靜載。 圖1 斷裂實物圖樣計算結(jié)果顯示零件受力區(qū)域較小，受力較為集中，危險區(qū)域如圖2、圖3所示，第一危險區(qū)域最大應(yīng)力5 MPa，第二危險區(qū)域最大應(yīng)力4 MPa，危險區(qū)域位置與實物斷裂區(qū)相吻合。在正常靜載下，不考慮Ansys本身的計算誤差，零件靜態(tài)(設(shè)計)安全系數(shù)為8.5，似乎比較安全。 圖2 零件局部應(yīng)力分布圖 圖3 零件整體應(yīng)力分布圖但實際注射成型中，因為該兩個危險區(qū)域存在熔接線以及應(yīng)力集中，如圖4所示。研究表明：對于脆性聚合物的熔接線融合強度系數(shù)在最佳工藝條件下在0.60.7以下，典型材料如PS、SAN、PMMA;對于韌性聚合物的熔接線融合強度系數(shù)在最佳工藝條件下在0.70.8以上，典型材料如POM、PP、PC、ABS。 圖4 零件的熔接線分布危險區(qū)域熔接線、應(yīng)力集中的存在已經(jīng)削弱實際強度，再加實際成型加工工藝很難保證最佳，以及載荷偶爾過載和實際上的微小沖擊作用，導(dǎo)致零件發(fā)生斷裂，盡管其靜態(tài)設(shè)計安全系數(shù)設(shè)定比較充裕。2.2注塑件的強度預(yù)測為提高該零件的可靠性，曾依據(jù)經(jīng)驗，延長加強筋長度，如圖5所示，以期提高危險區(qū)域的強度。但通過CAE結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，更改設(shè)計第一區(qū)域最大應(yīng)力5.3 MPa，比原始設(shè)計的更危險，更改設(shè)計的第二區(qū)域更安全些，其最大應(yīng)力約1.8 MPa，如圖6、7所示。與傳統(tǒng)經(jīng)驗相反，通過CAE可以預(yù)測出更改設(shè)計方案未能顯示明顯的改善，并不可取。 圖5更改設(shè)計3D 圖6 更改設(shè)計局部應(yīng)力圖 圖7 更改設(shè)計整體應(yīng)力圖該零件因在試產(chǎn)階段，模具已經(jīng)完成，零件幾何上的調(diào)整空間不大，因此，一方面，優(yōu)化注塑工藝參數(shù)設(shè)置(調(diào)整注塑壓力、速度、熔體溫度及模具溫度等)，增強熔接線的熔接強度;另一方面，更改零件設(shè)計，增加圓弧過渡，消除原始設(shè)計中的應(yīng)力集中，如圖8所示，可明顯加強零件強度，同時，模具的修模非常簡單。 圖8 圓角設(shè)計3 小結(jié)從塑料材料、零件設(shè)計、注塑加工過程以及使用條件等層次，探討了注塑件強度設(shè)計的安全系數(shù)分類，討論了零件承受載荷種