摘要：提出一種基于吹塑成型工藝的塑料件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法态兴，以更合理精確地分析計(jì)算吹塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此方法將吹塑成型與結(jié)構(gòu)分析順序耦合應(yīng)用Abaqus/Explicit對(duì)塑料圓管進(jìn)行吹塑成型模擬疟位，獲得吹塑件的形狀和非均勻厚度以及殘余應(yīng)力诗茎，然后將吹塑成型件導(dǎo)入到Abaqus/Standard中，并將非均勻厚度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)映射到該吹塑件分析模型上献汗，進(jìn)行強(qiáng)度分析敢订，評(píng)估其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯PET塑料瓶為例罢吃，應(yīng)用上述方法對(duì)吹塑成型的塑料瓶進(jìn)行精確結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析楚午，能夠指導(dǎo)塑料瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型工藝參數(shù)設(shè)置。
當(dāng)前塑料行業(yè)發(fā)展迅速尿招，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了飲料矾柜、飲用水、藥品就谜、食品怪蔑、化學(xué)品和汽車行業(yè)等［1］。一般情況下丧荐，制造商需要在有限的時(shí)間和成本里缆瓣，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)新型塑料產(chǎn)品。然而虹统，有限的時(shí)間及成本往往限制了設(shè)計(jì)師的思路弓坞，難有創(chuàng)新。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展车荔，有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用可使設(shè)計(jì)時(shí)間和生產(chǎn)成本大大減少［2－3］渡冻。
在塑料件的生產(chǎn)中，吹塑成型是最常見(jiàn)的成型方法之一忧便，其非常適用于生產(chǎn)熱塑性中空塑料制品族吻，比如礦泉水瓶、飲料瓶和油箱等吹塑成型模具只需凹模珠增，因而設(shè)備造價(jià)低超歌，適應(yīng)性強(qiáng)等，在飲用水行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛［4］切平。隨著消費(fèi)者的喜好變化握础，吹塑制品形狀愈加復(fù)雜辐董，越來(lái)越難保證其壁厚的均勻性悴品，同時(shí)，吹塑成型導(dǎo)致的塑件殘余應(yīng)力，也影響著塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［5－6］苔严。
圖1所示的PET材料塑料瓶定枷，需采用有限元方法分析其在正常使用、運(yùn)輸届氢、跌落和擠壓過(guò)程的安全性欠窒，以保證吹塑制品不會(huì)發(fā)生破裂。傳統(tǒng)的有限元方法是將圖1水瓶塑件作等厚件建模分析退子，忽略了厚度的非均勻性岖妄，特別是薄弱區(qū)域，導(dǎo)致分析結(jié)果并不能找出破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域寂祥。故本文提出一種基于吹塑成型工藝的塑料件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法荐虐，其能夠考慮吹塑成型后的不均勻厚度以及殘余應(yīng)力對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，即先用有限元軟件Abaqus的Explicit模塊對(duì)塑料管進(jìn)行吹塑成型模擬丸凭，獲得塑件的形狀福扬、非均勻厚度以及殘余應(yīng)力，再把此塑件導(dǎo)入到Abaqus/Standard中惜犀，并映射厚度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)铛碑，精確合理地分析計(jì)算塑件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
圖1塑料瓶幾何模型
1吹塑成型分析
1.1吹塑成型建模
本文吹塑成型方法采用Abaqus/Explicit顯式算法進(jìn)行求解虽界。顯式算法求解速度快且收斂性良好［7］汽烦。吹塑成型網(wǎng)格模型如圖2所示，對(duì)模具凹模劃分網(wǎng)格莉御，并把采用殼單元的吹塑管裝配于模具中間刹缝。
圖2吹塑分析有限元模型ＲP表示參考點(diǎn)
1.2材料和邊界
表1PET塑性參數(shù)
在高溫250℃吹塑管彈性模量為10MPa，泊松比為0.3颈将，密度為0.94g/cm3梢夯，并采用表1提供的250℃對(duì)應(yīng)的PET塑性參數(shù)。
在吹塑模型中晴圾，模具均設(shè)置為離散剛體颂砸，僅吹塑管為變形體。設(shè)置兩個(gè)分析步第一個(gè)分析步為對(duì)圖2的上下凹模閉緊合模第二個(gè)分析步在約束吹塑管尾部的情況下進(jìn)行吹塑成形死姚。
在吹塑過(guò)程中人乓，吹塑管與空氣之間存在著熱交換，參考文獻(xiàn)［8］設(shè)置熱交換系數(shù)為500W/mm2·℃都毒。同時(shí)色罚，設(shè)置模具與吹塑管的摩擦因數(shù)為0.4。
1.3 分析結(jié)果
1.3.1 動(dòng)能/內(nèi)能比
通過(guò)動(dòng)能/內(nèi)能比判斷吹塑成型是否為準(zhǔn)靜態(tài)分析账劲。模型的動(dòng)能－內(nèi)能曲線如圖3所示戳护，可以看出隨著時(shí)間的增加金抡，模型的內(nèi)能總體成上升趨勢(shì)，且在合模步驟完成后繼續(xù)吹塑時(shí)上升幅度較大腌且，動(dòng)能在吹塑模擬過(guò)程中幾乎為0梗肝。動(dòng)能除以內(nèi)能則繪制成圖4所示的動(dòng)能/內(nèi)能比［9］，可知隨著動(dòng)能/內(nèi)能比趨于平穩(wěn)铺董，其值小于5%巫击，由此可判斷此吹塑成型分析結(jié)果符合準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。
圖3吹塑成型中動(dòng)能與內(nèi)能
圖4吹塑成型中的動(dòng)能/內(nèi)能比
1.3.2厚度分布
吹塑件厚度分布如圖5所示精续。由圖可知吹塑件并非等厚件坝锰，非均勻厚度分布范圍約為0.5～9.5mm，瓶身的厚度相比瓶口較小重付，瓶身左右兩側(cè)的厚度較小什黑，上下兩側(cè)厚度較大。把圖5中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)和厚度值寫出堪夭，用于后續(xù)聯(lián)合仿真的厚度映射愕把。
圖5塑件厚度云圖
2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
2.1強(qiáng)度分析模型
因隱式算法求解非線性靜力更為精確［7，9］森爽，故針對(duì)圖6結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型恨豁，采用Abaqus/Standard隱式求解。材料選用常溫下的PET材料屬性爬迟，即彈性模量為903MPa橘蜜，塑性參數(shù)為表1中25℃對(duì)應(yīng)的參數(shù)。在瓶口處固定約束的條件下付呕，瓶身上下兩側(cè)用半球向中間擠壓18mm计福，分析半球的反作用力，獲得其力－位移曲線即為此塑料件強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)徽职。
圖6結(jié)構(gòu)分析模型
應(yīng)用本文所提出的方法進(jìn)行吹塑和結(jié)構(gòu)聯(lián)合分析象颖，還需如圖7示意將吹塑成型厚后的材料厚度和殘余應(yīng)力映射至殼單元的塑料瓶模型上。
圖7映射厚度和殘余應(yīng)力
2.2 強(qiáng)度分析結(jié)果
采用本文所述方法姆钉，通過(guò)映射厚度和殘余應(yīng)力至結(jié)構(gòu)模型说订，強(qiáng)度分析結(jié)果的應(yīng)力如圖8。
圖8非均勻厚度塑料瓶的應(yīng)力分布
3分析方法討論
為對(duì)比本文方法的合理性潮瓶，特針對(duì)圖6的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行等厚分析陶冷，即塑料瓶不通過(guò)映射獲取厚度，而是分別直接定義等厚度為0.5毯辅、0.8埂伦、1.0mm。其中均勻厚度0.5mm的塑料瓶應(yīng)力分布如圖9所示思恐。與圖8對(duì)比可知沾谜，圖9中應(yīng)力分布趨勢(shì)基本相同膊毁，但應(yīng)力數(shù)值有較大差別。
圖9均勻厚度0.5mm塑料瓶的應(yīng)力分布
圖10不同厚度塑料瓶的力－位移曲線
為對(duì)比明顯类早，繪制出圖10半球壓頭力－位移曲線媚媒。由圖10可知嗜逻，本文聯(lián)合仿真方法所獲得的非均勻厚度力－位移曲線分布于0.8涩僻、1.0mm均勻厚度的力－位移曲線之間，這也說(shuō)明了無(wú)法通過(guò)定義均勻厚度的方法對(duì)吹塑件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析栈顷。
4結(jié)束語(yǔ)
1進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)逆日，考慮產(chǎn)品制造工藝。將吹塑成型的吹塑工藝考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中萄凤，更為合理準(zhǔn)確地對(duì)塑件強(qiáng)度進(jìn)行分析室抽。
2運(yùn)用不同算法各自的優(yōu)點(diǎn)，將顯式分析的結(jié)果映射到隱式求解的結(jié)構(gòu)分析中靡努，能夠?qū)⒅圃爝^(guò)程模擬與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模擬聯(lián)合到一起坪圾。
3考慮吹塑工藝的塑件強(qiáng)度分析結(jié)果表明，由于吹塑成型對(duì)材料的影響導(dǎo)致厚度分布不均勻惑朦，故在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)兽泄，需考慮工藝的影響，才能使強(qiáng)度結(jié)果更接近實(shí)際漾月。（文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
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