注塑件残余应力的模拟数值分析模型 外文

1、注塑件残余应力的模拟数值分析模型译者：摘要：在注塑成型过程中,残余应力在像饰板一样的几何图形中的分布和演变，是在线性热黏模型的基础上进行模拟的。研究结果表明，横断面的残余应力的流动路径方向几乎是相同的，木断压力值只比入口压力值高一点。关键字：注塑成型；残余应力：数值模拟；热黏模型1.引言在制造聚合物过程中，注塑成型已是一个灵活的生产技术。一个典型的注塑成型过程包括四个阶段: 塑化、填充、保压和产品的冷却。在这些过程中残余应力是由于高压和冷却过程中引起的翘曲变形和收缩而产生的。为了使产品具有高精度，残余应力的产生已收到越来越多的关注。在计算残余应力及收缩过程中，重要的是模拟的压力和热效应引起的残

2、余应力的过程，许多研究人员1- 5采用不同的模式。一般的研究残余应力是侧重于理论分析与一个孤立的模型。它没有考虑到具体的注塑及相关与保压和冷却结合起来分析。在这项研究中，残余应力在像饰板一样的几何图形中的分布和演变，是在线性热黏模型的基础上进行模拟的，即结合影响的压力，热应力及松弛应力一起分析。该数值计算模型，是建立了有限差分法在时间的层状离散沿厚度，并根据指定的边界条件。发达国家仿真系统是用来计算残余应力的典型注塑件。2.模型问题2.1线性热模型温度和压力诱导应力在结合静水压力引起的不均匀冷却的部分。 因为冷却,张弛时间的增加变得可以与填充和保压时间相比，因此准确地预报热应力将需要粘弹性本构

3、方程。但在极限无穷小的特殊情况下，粘弹性材料能很好地描述理论线性粘弹性。由于大多数注塑模具产品是非常薄的，我们可以采取流动方向作为一维方向和地方厚度方向为3-的方向，建立本地的坐标。总应力张量可分为静水压力和额外的压力的一部分 6 2.2基本假设和边界条件在注射成型过程中，为简化计算热量和压力引起的应力，我们作出下列假设：（1）我们可以采取流动方向作为一维方向和地方厚度方向为3-的方向，建立本地的坐标；（2）在铸型中，材料在平面方向上被部分三维特征（圆形凸起物，凸起条纹，其他遮挡物）所限制，所以应假定平面应变等于0 ； （3）正常应力恒定时，在地方厚度方向的应力等于负的模腔压力；（4）利用模腔

4、压力(0)，但不等于零的材料，建立模具墙;（5）在模具中，模具的弹性是忽略不计的翘曲变形，是不在考虑范围之列的。3.结果与讨论研究演变的应力分布的模拟试验是表现为扇形门的标本（ 300 75 2.5毫米），在演变图1中，一个最低复杂性的做法是用ABS树脂塑料材料进行实验，在其实验中注意材料的物理变化，这将更好的了解过渡期间发生的注塑成型。物质参数和主要的工艺参数列在表1和表2中被列出 ，分别为： 3.1演化的模腔压力根据基本的假设（3），正常应力等于负的模腔压力。因此，如演变图2所显示，演化的模腔压力的变化是根据正常应力计算的压力，压力在不同地点沿流动路线不同发生变化 ，包括压力剖面附近的地点

5、，上面的部分，中途下降到末端的部分，四分之一到末端的部分和临近结束部分。在填充时，注射压力是为了克服聚合物熔体流动产生的阻力。在填充结束时，最大的压力（ 63.42MPa ）是在填充开始时，最小的压力（ 15.62MPa ）是在临近结束的时。在这两个地点有一个明显的区别，当保压阶段开始时，模腔压力在所有地点增加，是接近设置值60MPa，压力迅速增加。此后，压力分布趋于一致。在包装阶段，材料被放入横腔中的，以补偿收缩过程中发生的冷却而流失的模腔压力，这些模腔压力是难以弥补的，位置接近结束部分，因为此时模腔压力迅速下降。腔的压力，在流动路线上往往会不均匀。在包装结束时，压力在50.99MPa附近迅

6、速下降到36.75MPa，接着下降速度开始减缓。然后，模腔的压力，继续下降，在相同的速度下连续冷却，直到后腔压力下降到零，部分脱离模具，在厚度方向的进行冷却收缩。3.2演化的残余应力我们把应力在流动平面的演化假设，即平面应力在向横向各向同性材料的X方向应力等于Y方向应力。演变图3和演变图4显示在厚度方向和其在演化的中心位置的平面应力分布，演变图1，演变图3表明，整个平面应力的演变过程，演变图 4表明，应力分布的明显差距在五个典型的位置，他们是：在开始填充期; 在填充结束期; 在保压结束阶段; 当压力降到零时的中间位置; 之前弹射期。在填充期间，熔体材料是被继续进入行腔的。当熔体材料接触到冷却的

7、模具型腔表面上时，由于材料的迅速冷却而发生收缩。从表面上看，应力分布已急剧下降。演变图4显示，应力仍然是统一的整体，这些材料在中间部分基本上是显现成一个胶状与低弹性模量和等于负的包装的压力。作为保压阶段开始阶段，在平面应力迅速下降并达到最低值时，作为快速增加的模腔压力。熔体材料进入模具，以补偿体积收缩过程中发生的冷却。首先，在平面应力，在核心地区，主要是不断拥有，然后慢慢衰变为模腔压力。此外，演变图2显示，应力演化对应的演变腔的压力，应力在约束凝固层的增加的结果是温度下降。在包装接近结束时，形状，分布和变化表明，在表面层相对高应力已建立起来的。其次是在该地区有更多外来因素影响，压力急剧下降。强

8、调在中部地区仍然是统一的。然后，没有任何包装的压力，更是适用于局部与模腔压力下降很快，造成整个产品的压应力开始下降。由于之前的弹射，残余应力分布组成三个不同的地区，取得了两个外观地区，一个核心地区。应力分布表现为高表面张力的价值和变化，以改变峰值，从表面上看，在核心区经历了抛物线的高峰。3.3平面残余应力的分布注塑成型过程中，在平面应力分布图中，压力和温度的不同从而导致压力在不同地点各不相同。演变图5显示，应力沿流路分布的形状几乎是相同的，只有在之后经由弹射后发生变化。但是，中央的拉伸应力是一个很少低于应力地点。4实验验证测量残余应力经常进行的方法是层去除的方法。这种方法比较容易的是在明显的差

9、距方向适用于平面标本，给出了有关的应力分布图。Zoetelief5成功地利用非晶聚合物ABS为标本，应用这种方法于聚合物并且为无定形的聚合物吸收标本。如演变图6显示，用X方向和Y方向的实验值与计算应力剖面应力的计算值进行比较，从Zoetelief的实验中得出应力实验结果。在计算时，材料和工艺条件是相同的，这样测量的结果与计算的结果之间有一个定性的协议，此外，计算非晶聚合物的应力时，因为没有各向异性的顾及，所以在平面的方向是相同的。 5结论在本研究中，我们模拟的是模腔压力和残余应力沿流动路径的演化和分布。用ABS树脂塑料作标本，用计算粘弹性模式与层去除实验方法所得的结果进行比较。计算表明，在注塑

10、成型过程中，平面应力在厚度方向的分布有很大的不同。首先，表面上有相当高的应力，但在表面以下时，应力会下降得很快而且在超过一个中心后应力又会恢复到原值。在喷射之前，表面上会呈现出一个高的应力值而且由于核心区的应力呈现抛物线式的应力高峰值，所以在靠近表面时应力值又会接近峰值。在灌装和包装过程中，应力分布形成的明显的差距沿流路几乎是相同的。首先，沿着流动路径有一个显着变化的应力值，然后应力基本上不变。弹射后，入口端的中心应力比远离入口端的应力值稍微低一点。参考文献1 Bushko W C, Stokes V K.凝固热黏熔体.第一部分：制定模型问题J.聚合物工程和科学，1995,35(4):351-

11、364.2 Bushko W C, Stokes V K.凝固热黏熔体.第二部分：制定模型问题J.聚合物工程和科学，1995,35(4):365-383.3 Jansen K M B, Titomanlio G.历史上的影响压力的收缩和残余应力的注射成型与约束收缩J.聚合物工程和科学，1996,36(15):2029-2040.4 Jansen K M B, Vandijk D J, Husselman M H.在注射液成型时,工艺条件对收缩效果J.聚合物工程与科学1998,38(5):838-846.5 Zoetelief W F, Douven L F A.在注塑成型产品的残余热应力J.聚合物工程和科学，1996,36(14):1886-1896.6 Ferry J D.四粘弹性性能的聚合物M.第三.纽约:约翰威力儿子出版， 1980 。7周华民，李德全.在注射成型后灌浆期过程中，残余应力的分析研究J.国际期刊先进制造技术.2005,25(7-8):700-704.8西国东, 周华民, 李德全.国家重点实验