纖維增強塑料制品的纖維取向、殘余應力、翹曲變形及濕熱老化的數(shù)值模擬.pdf

1、短纖維增強塑料具有優(yōu)異的力學性能和物理性能，在汽車、機械裝備和電子電器等行業(yè)得到廣泛應用。注射成形是短纖維增強塑料最高效的成形方式。該工藝過程包含自由界面運動、塑料與纖維相互作用、熱傳導和相變等多個物理和化學過程，十分復雜。因此，通過注射成形生產(chǎn)合格的短纖維增強塑料產(chǎn)品是一個具有挑戰(zhàn)性的任務，其難點和特殊性主要體現(xiàn)在：1）纖維在成形中發(fā)生取向行為，嚴重影響產(chǎn)品性能，但其形成機理復雜，調控難度大；2）成形中的冷卻過程會使制品產(chǎn)生殘余應力，

2、引起產(chǎn)品翹曲變形，二者幾乎受所有成形工藝參數(shù)影響，難以定量分析與優(yōu)化；3）制品使用過程中的濕熱老化會造成其性能惡化，且受纖維取向和殘余應力水平的影響，但濕氣擴散過程的影響因素及規(guī)律尚不明晰，難以預測。
　　面對上述纖維取向、殘余應力、翹曲變形和濕熱老化等復雜問題，傳統(tǒng)依賴經(jīng)驗來調整成形工藝參數(shù)的試錯法不僅成本高、改進空間有限、難以同時兼顧濕熱老化問題，而且在很多情況下會失效，無法給出令人滿意的結果。建立相關過程的數(shù)理方程，采用數(shù)值

3、計算的方法來近似求解，進而優(yōu)化控制，是解決該問題相對經(jīng)濟和有效的手段。
　　本文基于表面模型，針對纖維取向、殘余應力、翹曲變形和濕氣傳播數(shù)值模擬的難點進行研究，具體內容如下。
　　單根纖維的取向用單位向量來表征，相應的取向變化方程根據(jù)動力學原理建立。纖維增強塑料熔體中眾多纖維的取向，用概率密度函數(shù)來描述，其變化過程滿足Fokker-Planck方程。結合單根纖維取向變化方程和Fokker-Planck方程，可以推導出描述纖維

4、取向張量演化的 Folgar-Tucker方程。數(shù)值求解 Folgar-Tucker方程，可以得到注射成形過程中的纖維取向。其難點在于算法的穩(wěn)定性。針對以上難點，本文提出了基于 IBOF閉合近似法，運用有限元/有限差分混合法離散Folgar-Tucker方程，并用Lagrange乘子法來處理計算穩(wěn)定性的數(shù)值算法。通過與試驗對比，該算法精度較高。
　　結合計算得到的纖維取向張量，可以計算纖維增強制品的各向異性殘余應。其難點在于建立考

5、慮應變歷史的各向異性熱-粘彈性本構方程和殘余應力高精度算法。針對以上難點，本文提出了適合短纖維增強材料的各向異性熱-粘彈性本構方程。并結合注射成形實際過程，給出了殘余應力的數(shù)值算法。通過盲孔法測量殘余應力，驗證了該算法的準確性。
　　以殘余應力作為載荷，制品的翹曲變形能夠被計算出來?；诒砻婺Ｐ偷穆N曲變形計算模型的難點在于構造高效的偏心平板殼單元和多點約束方程。針對以上難點，本文采用膜單OPT和板單元DKT作為母單元，構造了性能優(yōu)

6、良的偏心殼單元EOPT-EDKT；并基于域分解理論和連續(xù)介質力學理論分別推導出相同的多點約束方程，該方程可以確保收斂性。通過試驗和對比，驗證了新模型的準確性。
　　注射成形短纖維增強塑料制品在濕熱環(huán)境中服役，濕熱環(huán)境對材料性能的具有重要影響。該過程可分為兩部分來研究：濕氣的傳播和濕氣對力學性能的影響。其難點在于環(huán)境因子對擴散系數(shù)的影響規(guī)律不明和濕氣對性能的影響難以量化。針對以上難點，本文用試驗方法分析了溫度、濕度和纖維濃度對濕氣擴

7、散過程影響，并建立了相應的模型?；诤侠砑僭O，提出了濕氣擴散的數(shù)值算法，并通過試驗驗證了它的精度。同時，通過拉伸試驗和DMA試驗分別研究了水分對纖維增強塑料的靜態(tài)和動態(tài)力學性能的影響。
　　基于以上研究，開發(fā)了相應的纖維取向、殘余應力、翹曲變形和濕氣擴散軟件模塊，并集成到HsCAE3D7.5系統(tǒng)中。合理地使用這些模塊不僅能有效地調控纖維取向，優(yōu)化殘余應力和翹曲變形，減少濕氣吸收，提升產(chǎn)品質量；而且能提高模具設計效率，減少試模次數(shù)，