基于表面模型的塑料注射成型殘余應(yīng)力與翹曲變形研究.pdf

1、本文針對注射成型過程以及產(chǎn)品的特點(diǎn)，引入合適的假設(shè)和邊界條件，建立了注射成型殘余應(yīng)力和翹曲變形的數(shù)學(xué)模型以及數(shù)值計(jì)算方法，開發(fā)了商業(yè)化的注射成型殘余應(yīng)力和翹曲變形模擬軟件。
　　 本文基于粘彈性理論以及時(shí)溫等效原理，提出了計(jì)算注射成型殘余應(yīng)力的線性熱-粘彈性和熱-彈性數(shù)學(xué)模型。通過引入適合于注射成型特點(diǎn)的基本假設(shè)，建立了線性熱-粘彈性和熱-彈性模型的增量格式。模型中充分考慮了保壓壓力歷史以及溫度歷史對殘余應(yīng)力的影響，并將計(jì)算過程

2、分為三個(gè)階段，針對每個(gè)階段的特點(diǎn)施加不同的邊界條件。模型采用在時(shí)間上有限差分和在厚度方向分層處理的計(jì)算方法，提出了完整的數(shù)值解決方案。模擬結(jié)果顯示，從工程角度出發(fā)，基本可以采用熱-彈性模型代替熱-粘彈性模型來計(jì)算殘余應(yīng)力，因?yàn)槎叩慕Y(jié)果比較相近。
　　 翹曲變形的模擬中，本文采用平板殼單元作為翹曲計(jì)算的有限元模型，平板殼單元由表征平面內(nèi)變形的膜單元和表征垂直于平面的變形的板彎曲單元組成，通過比較幾種具有代表性的膜單元和板彎曲單元

3、，最終選用優(yōu)化膜單元（Optimal Triangle Membrane Element，OPT單元）和細(xì)化離散的Mindlin三角形彎曲單元（Refined Discrete Kirchhoff Mindlin bending element，RDKTM單元）組成的平板殼單元。該單元具有變形模式準(zhǔn)確、對網(wǎng)格質(zhì)量要求低等優(yōu)良特性。
　　 傳統(tǒng)的板殼有限元分析是基于中性層模型的，而目前的注射成型模擬是基于產(chǎn)品的表面模型的。為了解決

4、該問題，本文創(chuàng)造性地提出了基于表面模型的翹曲變形模擬方法，考慮到產(chǎn)品的上下表面均有網(wǎng)格，在本文中將單元厚度設(shè)定為產(chǎn)品局部厚度的一半，并通過多點(diǎn)約束將上下表面的位移關(guān)聯(lián)起來，以使得整體結(jié)構(gòu)滿足經(jīng)典板殼理論的Love-Kirchhoff假設(shè)。施加多點(diǎn)約束的普通方法有主從消元法、罰函數(shù)法以及Lagrange乘子法，由于很多注射成型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，若采用這三種普通的多點(diǎn)約束方法，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)響應(yīng)可能會出現(xiàn)問題。本文提出了一種基于Lagrang

5、e乘子的消元法，該方法可保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)響應(yīng)正確，且具有計(jì)算效率高、施加約束過程簡單等特點(diǎn)。
　　 本文采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiment，DOE）成型了大量的產(chǎn)品，并采用方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）分析了塑料熔體溫度、注射速率、模具溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等6個(gè)工藝參數(shù)對注射成型產(chǎn)品的收縮和翹曲的影響。同時(shí)，采用模擬軟件分析了與試驗(yàn)相同的工藝條件設(shè)置的方案，并將模