（材料科学与工程专业论文）注塑制品翘曲变形数值模拟及实验研究.pdf

华 巾 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 abs t r a c t wa r p a g e i s a h a c k n e y e d d e f e c t i n p l a s t i c i n j e c t i o n m o l d i n g , a n d a s a n i m p o r t a n t i n d i c a t o r o f p a r t s q u a l i t y , p e o p l e p a y m o r e a n d m o r e a t t e n t i o n t o i t . y e t c u r r e n t l y , t h e r e s e a r c h o f w a r p a g e i s f a r b e h i n d h a n d c o m p a r e d t o i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n . t h e r e f o r e , t h i s p a p e r f o c u s e s o n n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o f w a r p a g e , a f t e r c o m p a r i s o n a m o n g v a r i o u s me t h o d s w i d e l y u s e d a l l o v e r t h e w o r l d a n d s y n t h e s i s c o n s i d e r a t i o n o f f e a s i b i l i t y a n d d i f fi c u l t y o f e a c h m e t h o d . i n - d e p t h r e s e a r c h i s d o n e t o s o l v e t h e k e y p r o b l e m s i n c l u d i n g m a t h e m a t i c a l m o d e l o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n b y u s e o f f i n i t e e l e m e n t me t h o d ( f e m) , t h e i m p l e m e n t a t i o n o f f e m, e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h . a n d b a s e d o n t h e a b o v e w o r k , t h e i n t e g r a t e d s i m u l a t i o n p r o g r a m h s c a e i w h a s b e e n d e v e l o p e d . f i r s t o f a l l , t h e r m a l s t r e s s a n d w a r p a g e a r e d i s c u s s e d . b a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f l i n e a r t h e r m o - e l ast i c i t y , t h e l i n e a r m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r w a r p a g e i s d e r i v e d . i t i s p r e s e n t e d f r o m t h e a s s u m p t i o n t h a t w a r p a g e o f t h e p a r t c a n b e d e c o m p o s e d i n t o t h e p l a n a r s t r e s s d e f o r m a t i o n a n d b e n d i n g d e f o r m a t i o n o f t h i n p l a t e . f o r a f u r t h e r r e s e a r c h , t h e n o n l i n e a r w a r p a g e i s c o n s i d e r e d , a n d t h e p o s s i b i l i t y a n d n e c e s s i t y o f n o n l i n e a r m a t e r i a l a n d g e o m e t ry d e f o r m a t i o n a r e d i s c u s s e d . t h e p r i n c i p l e o f f e m f o r n o n l i n e a r g e o m e t r y a n d t h e s h e l l t h e o r y a r e a p p l i e d t o b u i l d t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l d e s c r i b i n g n o n l i n e a r g e o m e t ry w a r p a g e . me a n w h i l e , t h e e f f e c t o f r e s i d u a l t h e r m a l s t r e s s o n w a r p a g e i s c o n s i d e r e d , w h i c h i s t h e r e s u l t o f n o n - u n i f o r m c o n t i n u i n g c o o l i n g o f t h e p a r t a f t e r i t i s e j e c t e d f r o m t h e m o l d . a n d a l s o , t h e m e t h o d t o c a l c u l a t e t h e e q u i v a l e n t l o a d o f t h e t h e r m a l s t r e s s i s p r e s e n t e d . t h e r e a r e m a n y i m p o r t a n t p r o b l e m s d u r i n g t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f w a r p a g e b y u s e o f f e m. f i r s t l y , l a r g e a m o u n t o f d a t a m u s t b e s a v e d i n t h e w h o l e s t i f f m a t r i x . i n o r d e r t o s o l v e t h i s k e y p r o b l e m, t h e m e c h a n i s m o f d o u b l e p a c k a n d f i l t e r i s p r o p o s e d . a s t o c a l c u l a t e t h e l a r g e s y s t e m e q u a t i o n s , t h e c h o l o s k e y m e t h o d a n d t h e n e w t o n - l a p h i e r m e t h o d a r e s e p a r a t e l y a p p l i e d t o s o l v e t h e l i n e a r e q u a t i o n s a n d n o n l i n e a r s y s t e m e q u a t i o n s 户 一一一-一一-一-一一 . 1 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 t o o l o w c a l c u l a t i n g s p e e d i s a n o t h e r k e y p r o b l e m w h e n f e m i s a p p l i e d t o p r e d i c t t h e w a r p a g e o f t h e i n j e c t e d p l a s t i c p a r t s . i n o r d e r t o s h o r t e n t h e c a l c u l a t i o n t i m e , p a r a l l e l c o m p u t i n g i d e a i s a p p l i e d t o s i m u l a t e t h e w a r p a g e b y u s e o f f e m. t h e v i r t u a l p a r a l l e l m a c h i n e i s b u i l t o n t h e l o c a l a r e a n e t w o r k , a n d a l s o t h e p a r a l l e l a l g o r i t h m a n d i t s p r o g r a m a r e a c c o m p l i s h e d . wh a t i s m o r e , t h e c a l c u l a t in g e x a m p l e s p r o v e t h a t t h e p a r a l l e l c o m p u t i n g me t h o d i s f e a s i b l e i n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f wa r p a g e . i n o r d e r t o t e s t v a r y i n g p r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e i n t h e i n j e c t i o n m o l d , a s e t o f c o m p u t e r a i d e d t e s t i n g e q u i p m e n t i s b u i l t , w h i c h i n c l u d e s t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e s y s t e m . me a n w h i l e , v a r i o u s e x p e r i m e n t a l s c h e m e s a r e d e s i g n e d t o f i n d o u t t h e e f f e c t s o f t h e m o l d s t r u c t u r e , p l a s t i c m a t e r i a l a n d p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s o n t h e p a r t s w a r p a g e . t h u s t h e m a i n i n fl u e n c e s a n d m e c h a n i s m o f w a r p a g e c a n b e a tt a i n e d f r o m t h o s e e x p e r i me n t s . b a s e d o n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d a l g o r i t h m d e s i g n , t h e p r o g r a m t o s i m u l a t e t h e p a r t s w a r p a g e i s d e v e l o p e d b y a u t h o r . a n d t h e i n t e g r a t e d s i m u l a t i o n s o ft w a r e h s c a e i w i s d e v e l o p e d w i t h o t h e r c o o p e r a t o r s . f i n a l l y , t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e c o m p a r e d w i t h e x p e r i m e n t a l d a t a , a n d i t s h o w s t h a t t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l a n d i t s a l g o r i t h m u s e d i n t h e s i m u l a t i o n p r o g r a m f o r t h e p r e d i c t i o n o f w a r p a g e a r e r e a s o n a b l e . k e y w o r d s : i n j e c t i o n m o l d i n g t h e r m a l s t r e s s wa r p a g e f i n i t e e l e m e n t me t h o d g e o m e t r y n o n l i n e a r nu me r i c a l s i mu l a t i o n p a r a l l e l c o m p u t i n g 一. ， ， ， ， ， 目 ， ， ， 为 ， 份 ， ， 1 1 1 华 中 理 工 大 学 件 士 学 位 论 文 第一章概论 本章阐述了注塑制品翘曲变形研究的日的和意义，论述了翘曲变形研究的发展状况，比较 了翘曲变形的几种研究方法，探讨了注塑成型c a e技术的发展方向，并简要介绍了本课题的来 源与作者的主要研究工作。 1 . 1研究目的和意义 由于高效率、高精度和低成本的显著特点，注塑成型不失为批量生产塑料制品 的首选方法。但是，注塑成型常常出 现各种质量问题，例如， 短射、飞边、翘曲、 熔 接痕 和尺 寸误 差 等11 川。 如 何防 止制 品 翘曲 ， 是 经 常困 扰 工 程 师的 一 大难 题。 目 前， 人们只能依靠经验、技术诀窍和尝试方法解决生产中出现的质量问题， 但这种传统 方法不能对材料、设计方案和成型过程等因素做出全面的评价，也不能指出产品设 计和成型过程中可能出现的问题，因而导致模具返修量大、 投产时间长、 废品率高、 生产效率低、经济效益差。与此同时，塑料工业的发展异常迅猛，塑料新品种不断 涌 现， 塑 料 制品 种 类日 益增 多， 应 用范 围 迅速 扩 大 【5 -6 / 。 人 们对 塑 料制品 外 观 质量 和 使用性能要求越来越高，翘曲变形程度作为评定产品质量的重要指标之一越来越多 地受到产品设计师、用户的关注和重视。因此，针对生产中急需解决的问题，迫切 需要对翘曲变形进行深入的 研究。 影响 注塑制品 翘曲 变形的因 素很多 l7 _ 1 3 1 ， 可以 分为四 大类， 包括塑 料材料、 制品 形状、模具结构和成型工艺条件。首先是塑料材料及添加剂。塑料取向能力和结晶 性能显著影响翘曲变形，取向材料比未取向材料更容易翘曲，结晶型聚合物翘曲变 形倾向比无定型聚合物的要大， 如果聚合物中有添加剂 ( 如色料) ，则会加大注塑制 品翘曲变形程度。其次，塑料制品形状与尺寸也能影响翘曲变形.产品形状、壁厚、 加强筋、表面装饰性浮雕等，能影响充模性能、冷却效果， 导致制品取向、内应力、 收缩等分布不均匀， 翘曲 变形也就无法避免。 另外， 模具结构对制品 翘曲 很有影响。 浇注系统及冷却系统设置、排气性能好坏、模具顶出机构设计等都能影响制品取向 与收缩，从而显著影响制品出模后的翘曲变形。最后一个能显著影响翘曲的因素是 工艺条件。注塑熔体塑化质量、熔体温度、注塑压力、保压压力、保压时间、 模具 温度等许多成型工艺参数都影响制品翘曲变形。对于这些影响因素，设计人员很难 予以 全面考虑，因此，有必要对翘曲变形进行数值模拟和实验研究，探讨其变形机 制，预测制品变形大小，以指导实际生产过程。 本文重点从数值模拟和实验角度研究翘曲变形。翘曲变形数值模拟的重要意义 在于:在设计阶段，根据预设的注塑成型工艺条件和模具结构，对制品的注塑成型 过程进行分析后，预测制品出模后的翘曲变形。在此基础上，寻求导致产品翘曲的 月 ”. ， 润 ，峥， . 口 ， 洲 . 门 . ， ， ， ， . ， . . .侧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 主要因素，从而指导设计人员修正制品和模具的设计、调整注塑成型工艺参数，改 进制品质量，使制品和模具一次成功的可能性达到最大 ( 如图 1 . 1 所示) ，降低生产 成本和提高生产效率。翘曲变形实验研究的目的是，研究不同模具结构、不同塑料 材料、不同注塑成型工艺条件对制品翘曲变形的影响程度与趋势，以了解翘曲变形 的形成机理，为解决实际生产中的翘曲问题提供理论依据，同时，还可以验证注塑 制品翘曲变形模拟软件的可靠性，以帮助提高软件的分析精度。 注塑工艺参数设置注塑模具设计 . 注塑成型c a d / c a e / c a m技术 优化的 注塑工艺参数注塑模具制造 图 1 . 1注塑c a d / c a e / c a m技术应用 互 1 . 2注塑制品翘曲变形发展状况 自2 0 世纪中叶以来，塑料流变学、数值计算方法和计算机技术的突飞猛进为塑 料模c a e技术发展创造了 有利条件。 塑料模c a e研究经历了 从初级到高级、 从简 单到复杂、 从理论研究到实际应用的发展历程。 从表 1 . 1 可看出， 流动过程的研究早 在五十年 代开始， 至八十年代己 经发展到实 用化程度 1 4- 2 3 1 。 保压过程和冷却 过程 研 究比流动过程研究要晚十年， 直到九十年代才开始研制实用化软件，而纤维定向至 今 仍 然 集中 于 理论 研 究 2 4 - 4 11 1 2 3 - 12 4 1残 余 应 力 研 究 从 七 十 年 代 开 始， 现 正向 实 用 化 方向 努力 4 2 - s a t 。 相比 之 下， 翘曲 变形的 研究 工 作 远不 及 流动、 保 压、 冷却、 应 力 等 模拟研究那样早，而且进展较慢。 导致这种现象的原因有多方面:( 1 )翘曲变形模拟与注塑流动、保压、冷却等 阶段的研究发展状况有关。 只有在完成流动、保压、冷却及应力分析的基础上， 才 可能进行翘曲 变形的数值模拟研究.( 2 )与注塑其他阶段不同，导致制品翘曲 变形 的因素太多， 包括塑料材料、 制品和模具结构、 注塑成型工艺参数等，到目 前为止， 注塑 成型 翘曲 变形 机制依然 是众说 纷 纭， 还有 待于 进一 步深 入 研究。 ( 3 ) 翘曲 变 形 数值模拟必须与梢确的实验测试手段相结合，在这方面存在着较大的难度。 纵观整个注塑成型研究历程，正由于翘曲 变形的研究和开发工作起步晚、进展 缓慢， 所以， 翘曲 变形数值模拟与实验研究成为注塑成型c a e 发展的当务之急。 从 查阅的大量文献可看出， 翘曲 变形研究可归纳为三个方面:( 1 )从产品设计方法学 角度研究翘曲变形，以 优化注塑制品设计和成型工艺条件设置。( 2 ) 采用实验方法， 分 析 翘曲 变形与塑 料 材料、 产品 及 模真 结构、 成型 工艺 参 数 等之间 关系。 ( 3 ) 从 理 -一-一一-一- - 2 - 一-飞r-一-一-一一- 一 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 论上对翘曲变形进行定性和定量研究。本章将从这三个角度分别阐述翘曲变形研究 的发展状况，并简述国内外主要科研机构的研究情况，最后对这三种方法予以对比 分析。 表1 . 1注塑成型各阶段研究的发展历程 研究阶段发展历程 流动过程 . 五十年代. 流动过程的解析法研究。 六十年代，熔体在形状简单的模具型腔内流动的基础研究。 七十年代，二维流动分析，为开发实用分析软件莫定基础。 八十年代，三维流动分析， 对生产实践有指导意义。 保压过程 六、七十年代，保压过程的解析法定性分析。 八十年代， 保压过程的一维分析， 适用于形状简单的模具。 九 十年 代， 在流动 分 析 软件的 基 础上， 开发 二维 保 压 分析. 冷却过程 。 六十年代，定性分析形状简单模具型腔冷却过程的基础研究。 七十年代，一维冷却过程模拟， 用有限差分 法求解。 八十年代，二维冷却分析，模拟制品 和模具截面的 温度分布。 九十年代，基于 边界元法的三维冷却分析，可用于 生产实际。 纤维定向 七十年代前， 基于枯性流体匀质流场模型分析纤维定向。 八十年代 ( 后) ，基于多种模型的流动场的分层纤维定向 分析。 残余应力 七十年代，基于l e o n o v 模型的流动应力分析。 八十年代， 热应力的解析法分析， 基于 粘弹模型的 研究。 九十年代. 基于热粘弹性模型的二 ( 三) 维热残余应力研究。 翅曲变形 七十年代以前。多采用定性分析方法研究翘曲 变形。 八十年代，弹性小变形理论研究儿何形状简单的平板类塑件 九十年代。 集成模拟和复杂粘弹性本构方程的研究。 妇. 2 . 1翘曲变形的产品设计方法学研究 翘曲 变形的产品设计方法学研究， 最开始是根据实际生产经验，从定性角度分 析影响注塑制品翘曲 变形的因素，探讨减少翘曲 变形的方法。 后来才发展到将工程 优化设计方法用于注塑成型工艺中，力图设计出 优化的塑料产品和模具，选用合适 的成型工艺条件，以达到最大程度减少翘曲变形的目的。 从 七十 年代 开始， n . c . b a ld w iu if 从 产品、 模 具 设计 及 注塑 成型 工艺 角 度， 定性 探讨减少翘曲变形的方法。他指出，不正确的产品设计所导致的翘曲是最严重的， 几乎不可能通过成型工艺条件来修正，不均匀壁厚、筋板、浮雕等都能引起不均匀 一 3 - 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 收缩，从而导致制品翘曲;在模具设计中，无论是对何种材料，最重要的影响因素 是模具浇口大小和位置;在成型工艺条件选取方面，不均匀压力分布和温度分布也 能 导 致 翘曲 变 形。 八 十 年 代中 期， k .b .s p a to l a 15 9 1 在 实 际 生 产中 发 现， 塑 料 材 料的 结 晶程度越高， 越容易发生翅曲变形， 而无定型塑料材料如p c等在成型过程中则不易 发生翘曲;在流动过程中， 平行于流动方向取向比垂直于流动方向的取向要大，从 而导致各向异性收缩和翘曲 变形，并根据这些原则，对塑料进行改性，以 减少翘曲 变 形 程 度. 九 十 年 代初， m o l d f l o w公司 的c .a u s t in li o l 分 析了 注塑 制品 产 生 翘曲 变形的原因，并从塑料材料选择 ( 主戮考虑结晶性能、取向性能、成型收缩性能) 、 注塑产品设计 ( 主要指壁厚) 、 注塑模具设计 ( 包括浇口 位置和流道尺寸、冷却流道 尺寸与布置) 、注塑成型工艺条件选取等方面探讨减少翘曲 变形的方法。 九十年代末，有学者开始采用工程优化设计思想来设计塑料产品和选择成型工 艺 t6 0 1 . b .h .l e e le l - 6 2 1 在 设 计 注 塑 制 品 时 、 首 次 打 破 制品 壁 厚 应 尽 可 能 均 匀 的 不 成 文 规 则. 他认为， 在预定的尺寸误差范围内，有意改变壁厚，是减少翘曲的一种方法， 并利用基于正交实验和信噪比分析原理的 t a g u c h i 方法，将不同壁厚看作可控制 的设计因素，而将注塑时间、 熔体温度、冷却温度等工艺变量看作噪声因素，得到 不同 壁厚因 子组合的 制品 壁厚， 且 对每种壁厚 模型， 采用差异分 析法， 获得最优壁 厚 和 最 佳 工 艺 设 置. 在 此 基 础 上， r .s a h u , d o n g a n g y 和b . k im 16 3 1突 破了 传 统 设 计 方 法中先给定产品几何形状，通过反复试差，在一定范围内 选择变量的定性思维。为 了研究不均匀收缩而产生的翘曲 变形， 他们将壁厚、充模时间、保压时间、 熔体温 度、 模具温度、 保压压力作为优化设计的设计变量， 采用基于优化的基因 算法和 t a g u c h i 法求解减少翘曲 变形的优化问题，并给出注塑制品的理想厚度和体积。 妇. 2 . 2翘曲变形的实验研究 与产品设计方法学研究不同，翘曲 变形的实验研究是通过大量实验，获取原始 实 验 数 据， 分 析 实 脸 现 象 、 从 中 挖 掘 实 脸 规 律 ， 以 了 解 塑 料 材 料 、 产 品 和 模 具 结 构 以及注塑成型工艺参数对翘曲 变形的影晌程度与趋势。 从九十年代开始，许多学者陆续采用实验方法研究结晶型和无定型塑料、 注塑 成 型 工 艺 条 件 与 翘曲 变 形 之 间 的 关 系 . wd i s c 加 io , a .w a g le , s .p m c c a r t h y l6 0 7研 究 了 塑 料冷却、分子取向 松弛和结晶性能 ( 对于结晶型材料) 所造成的收缩， 将收缩甩 曲 特性与材料热膨胀系数联系起来，并认为收缩/ .曲结果依赖于分子和纤维取向、 压 力 和 温度分 布、 残余 应力 等的 正 确 预 侧。 c .s .l e e , a .d u b i n , k .s a r k a r 等 16 5 1 实 验 研 究了 不同材料和壁厚平板的收缩和翘曲特性。实验表明，无论采用何种材料，薄板的翘 曲比厚板要大得多， 而厚板的翘曲相对较小; 并且玻礴增强塑料薄板的翘曲比各向 同 性塑 料薄 板的 翘曲 大。 d .wr a d f o r d和 r .d .d i e f e n d o r f t6 6 1研究了 复 合 材 料 在 成型 和 使用过程中的变形，发现了结晶型复合材料薄板， 在成型过程中 会发生翘曲变形， 在使用过程中随着环境温度变化，将会继续变形;并提山基于层状薄板理论预侧制 品 形状变化的 数学模型。 v l e 。 和c . c u r e ll i e z 6 7 1 实验研究了 浇口 几何形状、 保压参数 ， ， - 一 - . 今 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 和模具弹性对制品最终尺寸的影响。 后来， 实验研究拓宽到研究材料的纤维定向对制品翘曲的影响。 h .k i k u c h i 和k . koy a m a 6 8 - n 1重点 研 究了3 3 % 玻 璃 增 强 纤 维p a 6 6 注 塑 磁 盘 增 强比 率、 线 性 热 膨 胀 系 数各向异性、制品厚度与翘曲之间关系，并发现:( 1 )线性热膨胀系数各向异性决 定了注塑磁盘翘曲模式，也是控制翘曲变形的重要参数。( 2 ) 薄壁磁盘翘曲明显而 厚壁磁盘不易翘曲， 且翘曲大小与测量翘曲时的温度有关。 同时， 还提出了 材料力 学 参 数与 各向 异 性之间 的 线性 关 系经 验公 式。 e .j .f a h y 17 2 1则 基于 相 似理 论， 构 造 相似 实验模型，研究增强塑料圆形磁盘翘曲变形机制，他们认为磁盘发生拱形或马鞍形 变形的原因是由于平面内热膨胀系数的各向异性 不同增强程度所引起的) ，并提出相应的实验公式 ( 由磁盘在径向和切线方向上纤维 1 . 2 . 3翘曲变形的理论研究 随着注塑成型工艺基础研究的不断发展， 研究人员开始注意从理论上研究翘曲 变形机理及预测方法。从现有已发表文献来看，目前翘曲变形的理论研究主要有两 种途径:( 1 )收缩i 翘曲变形研究，许多学者认为翘曲 变形与不均匀收缩有关，因而 从研究不同塑料在不同工艺条件下的收缩行为入手， 分析收缩与制品 翘曲 之间关系。 ( 2 ) 应力 1 翘曲 变形研究， 也有学者认为， 塑料熔体在成型过程中，由 于取向、 收缩 不均匀，导致内应力不均匀分布，从而使制品翘曲。因此，他们倾向于从力学角度 计算应力和翘曲变形。 ( 1 )收绷1 翅曲 研究 早期研究工作主要集中于研究各种工艺条件与注塑制品收缩之间关系.七十年 代 后 期， w g .h a i s it e n d ; j .r r i n d e r i e 和n .p .s u h 17 ; 1在 注 塑 模具 设计中 仅考 虑 压力、 温 度、体积三者关系，根据塑料 p - v - t实验图分析可能 产生的体积收缩，并采用变体 积 法 对收 缩 量进 行补 偿. r .g .e g b e r s 和k .g .j o h n s o n 7 4 1 首 次 对不同 牌号h d p e 在 不同 冷却时间、模具温度、熔体温度和注射压力下，采用不同浇口尺寸侧试其收缩情况， 得出 8 0 %收缩与制品厚度和浇口 尺寸有关， 2 0 % 收缩与成型条件有关的结论。g . p . h e b e r t 和l .p ,s a l lo u m i 1通 过实 验 测 里p m p 在 充 填3 0 % 纤 维 时 温 度 变 化 对 收 缩 的 影 响，并用统计法总结出收缩与制品及模具温度之间关系。 八十年代中期，收缩研究已由定性分析发展到提出简单经验模型的阶段。 w .b .h .n ie v e l s te i n 和g .m e n g e s 7 6 1着 重 研 究 保 压 压 力、 模 具 温 度、 制品 厚 度、 熔 体 流 动方向 对收缩的影响，并 采用线性叠加原理获得预测收 缩的 经验模型. g . s a l l o u r n , d .c h a r la n d 和b .s a n a c h g r i n 7 7 通过 大 量实 验， 发 现 影响 收 缩大 小的 工 艺 参 数 依次 为 保 压压力、冷却时间、模具温度、最大注塑压力、熔体温度，收缩与成型参数呈线性 关系， 建 立了 磁 盘和 平板 的收 缩 模型。 j .s h o e m a k e r , r .a l la n 和 p e n g e l m a n n (7 9 1 研 究 了均匀壁厚制品和变壁厚制品的收缩均匀性，并通过优化保压过程来减少收缩量. b .s a n s c h a g r in , s .r i v a r d , l .p h e b e r t 和p g ir a r d 17 9 1着 重 研 究 纤 维 增 强 材 料的 收 缩 性 能 ， 提出了预测纤维增强材料的收缩模型。实验表明:影响增强纤维材料轴向收缩和横 5 一一.目.， ，一 一一一 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 向收缩的因素有保压压力、注塑速度、熔体温度、模具温度及增强比例，其中最重 要的 是 增强比 例， 其次 是 保 压 压 力 和 模 具 温 度。 e .c .b e r n h a r d t 8 0 1 介 绍了t m c o n c e p t 公司收缩评估软件，该软件考虑了成型工艺条件、流动取向、模具外形等影响收缩 的主要因素，并认为仅用基于 p - v - t数据的简化收缩模型计算涉及到诸如取向、各 向 异性 等影 响因 素的 复 杂 制品 的 收 缩是 不准 确的 。 b o u d re a u x e .和f o r d a .g .s i- s 2 1 分 别研究了不同 注塑温度、模具温度条件下p mp 和增强型p mp制品的收缩，并采用 统计方法提出了与材料特性、 模具结构、 制品几何形状、工艺条件有关的收缩实验 模型。 到八 十年代末期， 许多 学者开 始利用收缩研究成果分析注塑制品 翘曲 变形 - s s 1 t h o m a s 和m c c ff e 夕$ ,最 先 在 注 塑 流 动 、 保 压、 冷 却 模 拟 基 础 上 提出 预 测 翘曲 变 形 的 模型.该模型考虑材料体积收缩、应力松弛和取向，通过实验和线性回归方法获得 制品收缩与这些影响因素之间的实验关系。然后在收缩预测基础上，通过结构分析 程 序计 算翘曲 变 形。 九十 年 代初， 澳 大 利亚m o l d f l o w公 司 s 7 】对 很多 材 料在 改 变 流 动 速 度 、 保 压 压 力 、 保 压 时 间 、 模 具 沮 度 、 塑 料 充 模 时 间 、 制 品 厚 度 等 参 数 条 件 下， 测盆制品收缩大小，并根据侧试结果，归纳了 影响制品收缩的因素，包括体积 收缩、 结晶程度、 应力松弛和取向效应。 在此基础上， w a l s h 提出了能考虑更多基本 变t ( 体积收缩、结晶性能、模具限制、塑料取向等) 的收缩预测方法，并利用流 动 和 冷 却 分 析结 果 预 测 收 缩 应 变。 s .f .w a l s h 和p .k e n n d d a y s e - 9 o 1 等 在 收 缩 预 测 基 础 上， 将收缩应变输入通用结构分析程序，通过线性或非线性分析计算翘曲变形。与 m o l d f l o w公司 不同 ， 美国c - m o l d公 司 9 1 主 要 从四 个方 面 分析 收 缎翘曲 成因， 包括不均匀冷却，不均匀面内密度分布，取向 效应和角隅/ 边缘效应，并在流动、 保 压、 冷却分析基础上， 利用有限元分析软件计算翘曲 变形。 由 于c - mo l d 是基于p - v - t 图计算体积收缩，为了 提高精度， 后来采用了一种新方法测量材料特性，即在快速 冷却条件下， 通过采用“ 等效p - v - t 数据和结晶动力学来测量塑料材料特性， 该方 法能 大 大提高 收 缩预 侧 和翘曲 变 形 模拟 精 度 19 2 1 ( 2 ) 应力桩曲 研究 应力1 翘曲变形研究直到八十年代才开始，而且多数集中于研究热应力所产生的 翘曲 变 形 上 9 3 - 9 4 1 . m .s .j a c q u e s 9 s 1 最 先 采 用 数 值 模 拟方 法 计 算 无 定 型 塑 料 平 板由 于 不 均匀冷却而造成的热翘曲， 采用一维有限差分法分析注塑成型传热过程后， 计算经 过玻璃化转变后各层的热应力，再采用纯弯曲理论计算制品翘曲 变形， 这种方法可 分析简单制品受热应力作用而产生的翘曲变形。 k .k .t a m m a , b .l .d o w l e r和 s .b .r a i lk a r 9 6 1采用 有限 元法分 析 制品由 于 温 度变 化而 产生的 热 残余 应力， 在此 基础 上，利用梁弯曲理论计算翘曲 变形，流动应力对翘曲变形的影响在八十年代初便开 始 研究 9 7 1 . i s a y e v 和c r o u t h a m e l 9 s 1采 用l e o n o v 粘 弹 模 型 计 算 考 虑 分 子 取向 影 响 的 流 动 应 力， 但 仅 局限 于 理 想一 维问 题 。 i s a y e v a .i .和h i e b e r c .a .9 9 采 用l r w流 动 模 型计 算流 动引 起的 残余 应力 和 变形。 后来， b a a ij e n s 和d o u v e n t 1在l r w流 动 模型 基础上， 用可压缩l r w模型预测流动阶段所引 起的应力分布。 九十年代初， c h i a n g 和h im a s e k h a pi 】采用非等 温条 件下可压 缩l r w流动模型 和有限 元 隋限 差分 / 控制体 一一一一一一一一一一- -一-一.，.，户户户钟，户种.户，-，一 华 中 理 工 大 学 一跨 士 学 位 论 文 积的混合计算方法模拟流动过程，对冷却过程则采用三维边界元法求解，并对流动 和冷却模拟进行祸合分析，在此基础上，计算流动应力和热应力，预测注塑制品收 缩和翘曲变形。 随着注塑成型流动、保压、冷却及应力研究的不断发展，九十年代初，翘曲变 形模拟开始进入注塑成型集成模拟阶段f l u - 1 n 3 a p o r s c h和 m i c h a c l i 1 0 1 仅考虑各截面 由于温度不均匀分布而引起的热应力，将制品分为多层，在计算各层温度分布和不 同层由于收缩不均而产生的热应力后，预测翘曲变形， 但没有考虑保压压力、定向、 塑 料 各向 异 性 及 应 力 松弛 影响 。 t .m a t s u o k a , j .- i .t a k a b a ta k e 等 10 5 - 10 6 1通 过 采 用 三 维 薄 壁几何模型，将模具冷却、塑料充模一保压一冷却、纤维定向、材料特性和应力分 析集成后，预测纤维增强材料制品的翘曲变形。 翘曲变形可利用上、下模腔面温差、 温度分布、流动引起的剪切应力、收缩和纤维定向所引起的力学性能各向异性计算 出来。但是，翘曲分析未考虑流动应力的松弛行为，也忽略了材料结晶特性. k .k .k a b a n a m i 和 m .j .c r o c h e t 1 0 2 l在流动、 保压 及冷却分 析基础上， 提出 计 算残余 应 力、收缩和翘曲 变形的方法。该方法考虑了保压阶段的影响，将制品分成三层，采 用三维网格分析残余应力和变形。其缺点是即使厚度方向 层数很少 ( 三层) ， 所需计 算 时 间 也 太 长 为 解决 计 算 速 度问 题， k .k .k a b a n e m i 和h .v a iu a n c o u r t 10 8 1 在 此 基 础 上 作了改进，利用热粘弹模型计算在保压阶段以后形成的残余应力，并采用基于平面 壳单元理论的有限单元法计算翘曲变形，该理论适用于形状复杂薄壁注塑制品，其 缺点是未考虑分子定向。 研究翘曲变形集成模拟时，许多学者发现:在注塑成型冷却阶段，当温度高于 玻璃化转变温度时，塑料是粘弹性流体，并伴有应力松弛现象;当温度低于玻璃化 转变温度时，塑料变成固态，并且，冷却过程中塑料熔体液一 固相转变和应力松弛现 象对准确预测制品残余应力和残余变形很有影响。因此，也有学者致力于寻找更精 确、合理的数学模型描述塑料材料粘弹特性和相转变现象，以 准确预测应力 / 翘曲 变 形。 l . c .e . s t r u i k 1 0 9 1 分析了 无定型聚合物中 温度 应力的 形 成过程以 及模拟残余应力时 考虑不同相转换的重要性。 m a t s u o k a 等9 5 1 首先采用简单弹性模型， 对注塑成型过程 进行集成分析， 预测增强型纤维塑料制品的翘曲 变形。 d e n i z a r t 1 1o 基于简单热弹性本 构 方 程 ， 采 用 三 维 有 限 元 法 计 算 残 余 应 力 和 应 变 。 h .h .c h ia n g , k .h i m a s e k h a r 等 1 1 1 分别采用 l r w 模型和纯流体弹性模型预测注塑制品的收缩和翘曲变形。 t .a . o s s w a l d 1 1 2 在预测压塑模零件翘曲时，提出了 3 - d 弹性相转换模型。 f .p .t .b a a ij e n s 1 13 1采 用了 一 个 基 于m a x w e l l 模 型 的 粘 弹 相 转 换 模型 ， 模 拟 流 动 残 余 应 i t # 1 a4余应力。 s t a ff o r d 1 1 0 1 在研究各向异性注塑制品的残余应力时， 提出了各向异 性的粘弹模型。 l .d o u v e n t l 5 t 采用了粘弹模型计算制品内残余应力分布o s w - j . l i u 0 0 采用粘弹相转换模型和二维有限元法预测热残余应力和相应的翘曲变形。该粘弹相 转换模型考虑了冷却阶段塑料由液态变为固态的相转换和应力松弛行为。k a b a n a m i 和c r o c h e t 1 0 1 采用3 - d粘弹模型预测注塑制品残余应力、收缩和翘曲。 与此同时，塑料的结晶性能、取向性能和注塑成型工艺参数对应力他 曲变形的 影响也引起重视。不少学者集中研究结晶型塑料的结晶性能对翘曲的影响， 华 中 理 工 犬 学 博 士 学 位 论 文 k .n a k a m u r a , t . w a t a n a b e 等 1 1 7 采用不同 动力学模型， 研究冷却 速率 对结晶 塑料结晶 速率的影响， m. r .k a m a l l s i 把热容看成静态热传递过程中塑料结晶能力的函数， a .y m a l k i n t 1 1 9 1 通过研究晶 核及其生长速率， 提出 结晶 动力学 模型。