汪東升粘拾，劉淑梅，鄭贛创千，莫壯壯
上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院缰雇，上海 201620
摘 要: 針對(duì)擠吹線纜架抗支撐能力不足、使用過程中產(chǎn)品變形量大等問題追驴，課題組對(duì)含不同加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的擠吹線纜架在支撐載荷作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值仿真研究械哟。利用UG(Unigraphics NX)軟件建立了2種擠吹線纜架的有限元模型，在受力面上設(shè)計(jì)了2種不同的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu);采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)L9(43)正交表對(duì)其主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析;仿真計(jì)算了擠吹線纜架在支撐載荷下的響應(yīng)殿雪，比較分析了2種不同模型下的應(yīng)力分布暇咆。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加強(qiáng)筋的脫模斜度對(duì)產(chǎn)品變形量的影響最大，受力面加強(qiáng)筋的角度對(duì)產(chǎn)品所受應(yīng)力的影響最大丙曙。加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)為凸起結(jié)構(gòu)時(shí)更利于實(shí)際生產(chǎn)及產(chǎn)品的使用爸业。
關(guān)鍵詞: 擠吹成型；線纜架亏镰；正交試驗(yàn)法扯旷；加強(qiáng)筋；UG(Unigraphics NX)軟件
目前索抓，隨著吹塑成型技術(shù)的快速發(fā)展钧忽，其生產(chǎn)制件已不僅僅限于各類瓶、桶逼肯、壺等中空軸對(duì)稱類包裝容器耸黑，已經(jīng)應(yīng)用到復(fù)雜的汽車制件如風(fēng)管、注水管等工業(yè)零部件［1］汉矿。吹塑從成型方法上可以分為擠出吹塑崎坊、注射吹塑和拉伸吹塑3類，其中擠出吹塑成型技術(shù)憑借著設(shè)備造價(jià)低洲拇、操作簡單奈揍、成型性能及效率高、加工方便等特點(diǎn)赋续，占據(jù)中空吹塑成型制件的75%以上男翰，成為主流的成型方法∨β遥基于成型特點(diǎn)蛾绎，中空制品往往力學(xué)性能較差。然而大型的工業(yè)制品，對(duì)于制品的力學(xué)性能有著更高的要求租冠。擠出吹塑成型工藝上要求壁厚不能過厚鹏倘，否則會(huì)導(dǎo)致制品冷卻不充分，產(chǎn)生冷斑等現(xiàn)象顽爹，造成外觀或結(jié)構(gòu)上的缺陷;而壁厚過薄又達(dá)不到強(qiáng)度要求纤泵。這種情況下通常會(huì)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)以達(dá)到力學(xué)性能要求，通過查閱資料及對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析镜粤，可知設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)捏题，可有效提高中空制品的抗壓強(qiáng)度并減少其彎曲變形［2］。目前肉渴，常見的塑料制品加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)方法主要是在受力面上設(shè)計(jì)多個(gè)凸起或凹陷的條狀結(jié)構(gòu)［3］公荧。
課題組以擠吹線纜架為研究對(duì)象，基于線纜架實(shí)際使用要求及裝配過程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)同规，對(duì)不同形狀循狰、參數(shù)的加強(qiáng)筋進(jìn)行抗變形性能力學(xué)仿真，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)分析并獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果捻浦；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證晤揣，通過優(yōu)化產(chǎn)品及加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)來提高產(chǎn)品力學(xué)性能桥爽，對(duì)中空儲(chǔ)物式擠吹制品的生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有參考意義朱灿。
01 材料與初始模型靜力分析
1.1擠吹線纜架初始模型建立與材料分析
1.1 擠吹線纜架初始模型建立與材料分析
利用UG(Unigraphics NX)軟件建立了擠吹線纜架的初始模型，如圖1所示钠四，擠吹線纜架直徑556mm盗扒，高174mm，平均壁厚為4mm缀去。
基于產(chǎn)品成型及使用環(huán)境要求(耐高低溫侣灶，ＲOHS等級(jí))，擠吹線纜架選用材料為Marlex® HHM 5502BN高密度聚乙烯(HDPE)缕碎，其物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示［4］褥影。
.2 基于初始模型的靜力學(xué)分析
擠吹線纜架的使用過程中，會(huì)通過工裝貫通2個(gè)開孔咏雌，工裝通過螺絲孔鎖住b面凡怎，轉(zhuǎn)動(dòng)工裝使線纜一圈一圈地由a面孔盤入線纜架內(nèi)壁，要求線纜架的a面在線纜架滿載的條件下能夠承受500N的支撐力赊抖，如圖2所示统倒，在使用Workbench進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，將b面與工裝接觸部位設(shè)置為固定約束氛雪，a面為受力面房匆，施加均勻載荷，大小為500N。
使用Workbench進(jìn)行變形量的求解浴鸿，如圖3和圖4所示井氢，得到在實(shí)際使用中a面出現(xiàn)了較大變形，變形量最大處為5.48mm岳链，應(yīng)力最大處為4.31MPa[5]毙沾。根據(jù)產(chǎn)品的使用特性，該部位為線纜裝配入口宠页，處于受力集中區(qū)易發(fā)生斷裂左胞，變形量較大影響裝箱運(yùn)輸及二次使用，因此需要在此區(qū)域設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)以提升其力學(xué)性能举户。
02 擠吹線纜架加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化
2.1 含加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的擠吹線纜架模型的建立
在吹塑成型工藝中烤宙，根據(jù)成型特性，需遵循吹塑拉伸比不超過1.2的規(guī)則來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)俭嘁，即本產(chǎn)品中加強(qiáng)筋的高度要小于寬度的1.2倍躺枕，否則在產(chǎn)品吹氣成型時(shí)會(huì)導(dǎo)致壁厚太薄甚至拉伸脹破，如圖5所示供填。同時(shí)加強(qiáng)筋的兩邊必須加上脫模角及脫模斜度以便脫模拐云，底部相接產(chǎn)品位置必須加上圓角以消除應(yīng)力集中現(xiàn)象［6］。結(jié)合本產(chǎn)品的尺寸及生產(chǎn)成本近她、成型工藝及修模難易程度等叉瘩，按照?qǐng)D6中的結(jié)構(gòu)均勻分布12根加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的深度為9.27mm粘捎，長度為110mm［7］薇缅。
2.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)
基于塑料制品加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合本產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)工藝攒磨、使用要求及修模成本泳桦，以加強(qiáng)筋的寬度L、半徑Ｒ1娩缰、半徑Ｒ2灸撰、脫模斜度α共4種因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)［8］，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示拼坎。每個(gè)因素設(shè)計(jì)3水平浮毯，制作L9(43)正交表如表2所示。
2.3 方案優(yōu)化結(jié)果分析與驗(yàn)證
2.3.1優(yōu)化方案結(jié)果分析
根據(jù)L9(43)正交試驗(yàn)表分別對(duì)不同加強(qiáng)筋參數(shù)的擠吹線纜架建模及受力分析演痒，對(duì)得到的最終變形量進(jìn)行極差分析亲轨，找出對(duì)擠吹線纜架受力性能最佳的加強(qiáng)筋參數(shù)組合［9］，最終結(jié)果如表3所示鸟顺。
由表3可以看出惦蚊，加強(qiáng)筋各參數(shù)對(duì)變形量大小影響程度依次為寬度器虾、脫模斜度、Ｒ1蹦锋、Ｒ2兆沙，即C＞D＞A＞B，實(shí)驗(yàn)參數(shù)最佳方案為A3B1C3D3莉掂。
對(duì)得到的最終應(yīng)力進(jìn)行極差分析葛圃，結(jié)果如表4所示。
加強(qiáng)筋各參數(shù)對(duì)應(yīng)力大小影響程度依次為Ｒ1憎妙、Ｒ2库正、脫模斜度、寬度厘唾，即A＞B＞D＞C褥符，實(shí)驗(yàn)參數(shù)最佳方案為A3B1C2D1。
可以看出因素C對(duì)變形量的影響程度最大抚垃，因素D對(duì)變形量的影響程度大于對(duì)應(yīng)力的影響程度喷楣，結(jié)合對(duì)擠吹線纜架模型優(yōu)化的目的主要是為了減少變形量［10］，選擇參數(shù)組A3B1C2D3鹤树，即Ｒ1為6mm铣焊、 Ｒ2為3mm、脫模斜度為21.5°罕伯、寬度L為43mm曲伊。
2.3.2優(yōu)化方案結(jié)果驗(yàn)證
用優(yōu)化方案的加強(qiáng)筋參數(shù)對(duì)產(chǎn)品模型優(yōu)化修改，并將模型導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析［11］捣炬，得到的應(yīng)力和變形量結(jié)果如圖8和圖9所示熊昌。優(yōu)化加強(qiáng)筋的參數(shù)后的擠吹線纜架在使用環(huán)境下受到的最大應(yīng)力為3.79MPa绽榛，最大變形量為4.45mm湿酸。較無加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的初始模型的最大應(yīng)力及最大變形量分別減少了12%和18%。較大程度地提高了擠吹線纜架在產(chǎn)品裝配過程中的力學(xué)性能灭美。
03 改變加強(qiáng)筋設(shè)置方式的擠吹線纜架結(jié)構(gòu)及靜力學(xué)分析
3.1 通過改變加強(qiáng)筋方向得到的擠吹線纜架結(jié)構(gòu)
初步優(yōu)化后的內(nèi)凹式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對(duì)線纜架的力學(xué)性能有很大程度上的提高推溃，但是內(nèi)凹式的加強(qiáng)筋在使用過程中也會(huì)面臨著堆積灰塵，不易清理等問題届腐，且修模時(shí)若想增加加強(qiáng)筋的個(gè)數(shù)铁坎，在模具上燒焊的成本較高［12］。在吹塑過程中犁苏，內(nèi)凹式加強(qiáng)筋部位壁厚大于產(chǎn)品表面硬萍，當(dāng)產(chǎn)品受到外力作用時(shí)抗壓能力較差，根據(jù)優(yōu)化后得到的最佳加強(qiáng)筋參數(shù)組合围详，改變加強(qiáng)筋的方向朴乖，設(shè)計(jì)凸起式加強(qiáng)筋祖屏，使得吹塑時(shí)，料坯先貼近模具中受力面表面买羞，然后進(jìn)入加強(qiáng)筋內(nèi)部袁勺，在吹氣完成后，壁厚最薄處由初步優(yōu)化得到的產(chǎn)品中的產(chǎn)品受力面處轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)筋處畜普。凸起式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)如圖10所示期丰。
3.2 凸起式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析
使用workbench對(duì)加強(qiáng)筋優(yōu)化后的模型進(jìn)行靜力分析，得到的最終應(yīng)力及變形量結(jié)果如圖11和圖12所示吃挑。
由圖11和圖12可以看出钝荡，采用凸起式加強(qiáng)筋的擠吹線纜架在使用時(shí)受到的最大應(yīng)力為3.93MPa，變形量最大處為4.67mm舶衬，且應(yīng)力最大處及變形量最大處由產(chǎn)品表面轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)筋處化撕，相比于初步優(yōu)化后模型的受力分析結(jié)果(最大應(yīng)力3.79MPa，最大變形量4.45mm)差距不大约炎。因此植阴，通過設(shè)置凸起式加強(qiáng)筋的方式在滿足擠吹線纜架受力性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了內(nèi)凹式加強(qiáng)筋線纜架使用面壁厚過薄圾浅、抗外力能力不足的問題掠手，而且凸起式加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)的產(chǎn)品易清洗，若增加加強(qiáng)筋的個(gè)數(shù)時(shí)可在模具上用車床按照參數(shù)銑出形狀［13］狸捕，修模成本較低喷鸽。
3.3 生產(chǎn)驗(yàn)證
將優(yōu)化后的含凸起式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的擠吹線纜架參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，得到的擠吹成型線纜架如圖13所示灸拍，零件成型質(zhì)量好做祝，抗變形性能強(qiáng)。
4結(jié)論
課題組基于正交實(shí)驗(yàn)得到的最佳加強(qiáng)筋參數(shù)鸡岗，建立了2種含加強(qiáng)筋的擠吹線纜架模型混槐，并利用Workbench對(duì)模型進(jìn)行靜力分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)及使用要求轩性，得到以下結(jié)論:
1) 通過在受力面設(shè)置加強(qiáng)筋的方式可明顯提高擠吹線纜架的受力性能声登，改善中空儲(chǔ)物式吹塑產(chǎn)品表面抗內(nèi)壓能力差的問題。
2) 通過正交試驗(yàn)的模擬結(jié)果分析可知: 在設(shè)置加強(qiáng)筋的參數(shù)時(shí)揣苏，加強(qiáng)筋的脫模斜度對(duì)變形量的影響最大悯嗓，加強(qiáng)筋的Ｒ1對(duì)產(chǎn)品所受應(yīng)力的影響最大。
3) 對(duì)中空儲(chǔ)物式吹塑制品進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)時(shí)卸察，為保證產(chǎn)品受力面的壁厚脯厨，而設(shè)置凸起式加強(qiáng)筋，在加強(qiáng)產(chǎn)品力學(xué)性能的同時(shí)也解決了內(nèi)凹式加強(qiáng)筋的清潔問題坑质，同時(shí)提高了抗外力的能力合武、節(jié)約了修模成本个少。對(duì)此類產(chǎn)品結(jié)合實(shí)際使用情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。
參考文獻(xiàn):
[1] 塑料制品工業(yè)研究所.中空吹塑[M]. 吉林省塑料研究所眯杏，譯. 輕工業(yè)出版社夜焦，1984: 67 - 89.
[2] 佚名. 吹塑塑料瓶全球市場(chǎng)年復(fù)合增長率將達(dá)4%[J]. 塑料科技,2018,46(11) : 24.
[3] 張治國. 塑料吹塑成型技術(shù)問答[M]. 北京: 印刷工業(yè)出版社, 2012: 32-42.
[4] 段名鏡，許苗苗. 擠出中空吹塑用聚乙烯材料特性[J]. 西部皮革, 2019,41(2) : 7.
[5] 潘鳳麗岂贩，李光. 基于Ansys Workbench的塑料蜂窩板仿真分析及優(yōu)化[J]. 包裝工程茫经，2016，37(23) : 44-49.
[6] 苗德忠 . 塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社,2014: 40-49.
[7] 陳杰萎津，廖秋慧卸伞，張銀龍，等. 擠吹醫(yī)用床頭板加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 塑料科技,2018锉屈，46(10) : 91-94.
[8] 承善荤傲，陳登海，江丙云颈渊，等. 基于吹塑成型的PET塑料瓶強(qiáng)度分析[J]. 塑料工業(yè),2018,46(4) : 76-79.
[9] Dr ROBIN K. Extrusion blow molding: insulation[J]. Plastics Engineering遂黍，2019，75(6) : 20-25.
[10] 王善凱 . 汽車儀表盤配件下蓋注塑成型及模具結(jié)構(gòu)CAE分析與優(yōu)化[D]. 西安: 西安工程大學(xué),2016: 66-80.
[11] 韓麗美俊嗽，孟德穎雾家，葛慶海，等. 聚乙烯耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能測(cè)試方法的研究進(jìn)展[J]. 油氣田地面工程绍豁，2019芯咧，38(增刊1) : 4-8.
[12] 王凱，王旭. 汽車零件加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 汽車工程師竹揍，2019(7) : 33-36.
[13] 王震虎敬飒，何芯，李落星. 鋁合金空心型材擠壓截面內(nèi)凹變形有限元分析及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 鍛壓技術(shù)芬位，2017无拗，42(11) : 73-78.
聚砜醫(yī)療干粉吸入...
塑料包裝材料的減...
汽車功能鍵觸摸蓋I...
高性能注塑聚丙烯...
