某軸流風(fēng)葉的注塑殘余應(yīng)力計(jì)算與模擬*

顏士偉1，余世浩1,2，翟羽佳1

(1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070;2.武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院，湖北武漢430223)

摘要：介紹了注塑殘余應(yīng)力的形成機(jī)理和主要影響因素，建立注塑制件的二維溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力計(jì)算模型，并進(jìn)行了某軸流風(fēng)葉的注塑殘余應(yīng)力計(jì)算模擬，驗(yàn)證了注塑殘余應(yīng)力計(jì)算模型的合理性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:軸流風(fēng)葉殘余應(yīng)力注塑模擬計(jì)算

中圖分類號(hào)：TM301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：江蘇省技術(shù)創(chuàng)新基金，編號(hào)10C26213201037。

作者簡(jiǎn)介：顏士偉(1981-)，男，研究生，研究方向：材料成型設(shè)備CAD/CAE。

收稿日期：2015-04-03

Residual injection stress calculation and simulation of plastic axial fan

YAN Shiwei，YU Shihao，ZHAI Yujia

Abstract:In this paper, the mechanism principle of injection residual stress is introduced, and the main influence factors of injection residual stress are analyzed, then the two-dimensional thermal model and residual stress calculation model are established and verified by injection simulation.

Keywords:axial fan; residual stress; injection process；calculation simulation

0引言

注塑零件在注塑生產(chǎn)中有明顯的纖維取向和塑料結(jié)晶，從而表現(xiàn)為注塑制品的力學(xué)各向異性和非均質(zhì)屬性，其中尤其以纖維增強(qiáng)材料的注塑最為明顯，在熔融狀態(tài)下，聚合物中的纖維隨著融膠的流動(dòng)方向確定在模具型腔中的排布方向，在高剪切應(yīng)力區(qū)存在纖維取向和流動(dòng)方向一致的取向效應(yīng)。另外，注塑成型過程中，熔融狀態(tài)的塑料材料須承受高溫、高壓和高剪切等多種載荷的共同作用，在短時(shí)間內(nèi)完成玻璃態(tài)、高彈態(tài)到粘流態(tài)，再到玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變，其內(nèi)部大分子也經(jīng)歷了流動(dòng)變形與松弛以及結(jié)晶取向等內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化[1,2]，若這些結(jié)構(gòu)變化在塑料制品冷卻定型前不能充分穩(wěn)定，則出模后塑料制品內(nèi)部存在殘余應(yīng)力[3]。殘余應(yīng)力會(huì)引起溫度翹曲變形從而產(chǎn)生制品形狀和尺寸誤差，甚至產(chǎn)生其它結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效。

1注塑殘余應(yīng)力形成機(jī)理

塑料制品在注塑成型中的殘余應(yīng)力主要有兩個(gè)來源：一是流動(dòng)殘余應(yīng)力。在注塑的充填階段，粘彈性流體的非等溫流動(dòng)形成剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力，由于塑料大分子鏈的取向不同，在沿流動(dòng)方向和正交方向表現(xiàn)為各向異性，冷卻階段溫度下降導(dǎo)致不能完全應(yīng)力松弛，從而在塑料固化層中發(fā)生應(yīng)力殘留[4,6]；二是熱殘余應(yīng)力。塑料制品在出模時(shí)，由于模內(nèi)外溫差大，制品溫度的不均勻分布導(dǎo)致變形收縮不均勻而產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。目前還沒有十分準(zhǔn)確的本構(gòu)模型可以深入細(xì)致地揭示注塑制品殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、發(fā)展及作用機(jī)理，通常將流動(dòng)殘余應(yīng)力和熱殘余應(yīng)力分別采用各自獨(dú)立的數(shù)學(xué)本構(gòu)模型表達(dá)，然后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的疊加。

2注塑制品的殘余應(yīng)力計(jì)算模型

根據(jù)前面分析可知，塑料注塑是個(gè)短時(shí)間內(nèi)溫度劇烈變化的工藝過程，由于溫度變化，塑料的物理狀態(tài)和力學(xué)特性也發(fā)生明顯改變，尤其是塑料的松弛模量、熱膨脹系數(shù)和其它溫度相關(guān)物性，因此塑料制品的溫度場(chǎng)模型必須能夠準(zhǔn)確地描述注塑生產(chǎn)周期內(nèi)制品的溫度變化規(guī)律。其中殘余熱應(yīng)力產(chǎn)生階段的溫度場(chǎng)模型包括模內(nèi)冷卻溫度場(chǎng)和脫模冷卻溫度場(chǎng)。

塑料制品多為薄壁件，二維平面溫度場(chǎng)模型表達(dá)式為[5,6,8]：

(1)

其中：[K]為溫度場(chǎng)單元熱傳導(dǎo)矩陣和邊界熱交換矩陣；

[C]為溫度場(chǎng)單元熱容矩陣；

{R}為溫度場(chǎng)節(jié)點(diǎn)熱流向量；

ξ為時(shí)間差分系數(shù)。

另考慮溫度場(chǎng)的相變潛熱，引入熱焓量[7]，即

(2)

其中：Ff為材料相變溫度；

L為潛熱；

注塑冷卻過程中材料的熱膨脹系數(shù)、熱應(yīng)變等物性參數(shù)隨溫度場(chǎng)的溫度分布而發(fā)生相應(yīng)變化，此類粘彈性材料的冷卻通過玻璃化溫度導(dǎo)致的殘余熱應(yīng)力可采用熱流變性材料的積分熱粘彈性體本構(gòu)方程進(jìn)行計(jì)算，即：

(3)

(4)

其中：G1，G2為松弛系數(shù)；

si，j，ei，j為應(yīng)力偏量和應(yīng)變偏量；

s，e為體平均應(yīng)力和體平均應(yīng)變；

Tr，Tg為計(jì)算參考溫度、材料固液態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。

3注塑殘余應(yīng)力模擬

某倉儲(chǔ)設(shè)備的通風(fēng)換氣葉片采用注塑工藝生產(chǎn)，為了評(píng)估該葉片的生產(chǎn)工藝性和注塑殘余應(yīng)力特性，基于注塑溫度場(chǎng)和殘余熱應(yīng)力的理論分析，通過注塑仿真模擬來研究軸流風(fēng)葉在壓力注塑過程中的融膠流動(dòng)特點(diǎn)和注塑殘余熱應(yīng)力。風(fēng)葉材質(zhì)為30%比例玻璃纖維增強(qiáng)尼龍材料，具體材料物性為Mold surface temperature=90℃，Melt temperature=280℃，Maximum shear stress=0.5 MPa，Maximum shear rate=60 000 1/s。其黏性和PVT曲線分別如圖1，圖2所示。

圖1　材料黏性曲線圖

圖2　材料PVT曲線圖

圖3　模具澆口方案

根據(jù)塑料材料特性和風(fēng)葉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用三板模，點(diǎn)澆口方案，如圖3所示。具體工藝參數(shù)為：保壓轉(zhuǎn)換位置為99%注射位置，保壓壓力為80%充填壓力，保壓時(shí)間10 s，冷卻時(shí)間20 s。

根據(jù)注塑模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，融膠充填時(shí)間約0.8513 s，融膠流動(dòng)平穩(wěn)，未發(fā)生遲滯和短射現(xiàn)象，說明模具澆口方案和工藝參數(shù)基本合理，其融膠流動(dòng)過程如圖4所示。

圖4　融膠充填流動(dòng)過程截圖

根據(jù)風(fēng)葉注塑殘余熱應(yīng)力分布圖(圖5)可知，葉片根部殘余熱應(yīng)力數(shù)值較小，但是殘余應(yīng)力分布梯度明顯，這是由于葉片根部的結(jié)構(gòu)壁厚差異過大導(dǎo)致融膠冷卻速度不均勻所引起的，但三個(gè)澆口位置和葉片尖部應(yīng)力較大，其中以澆口位置的殘余熱應(yīng)力為最大，均在70 MPa以上(圖6)，這主要是由于澆口在葉片輪轂部位的壁厚比葉片壁厚大1.85 mm，且背面布置有8條中心放射狀加強(qiáng)筋導(dǎo)致局部材料冷卻延后而產(chǎn)生內(nèi)部殘余拉應(yīng)力。

沿風(fēng)葉結(jié)構(gòu)壁厚方向從表層向中間截面做切面處理以更直觀觀察葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余熱應(yīng)力分布，葉片為薄壁結(jié)構(gòu)(寬度壁厚的最大比值=23.7)，由于材料冷卻時(shí)體積熱縮速度不均勻在葉片中央部位產(chǎn)生較大的殘余熱應(yīng)力，最大值73 MPa。如圖7所示。

圖7　風(fēng)葉結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余熱應(yīng)力分布圖

4總結(jié)

注塑殘余應(yīng)力對(duì)注塑制品的成型質(zhì)量和強(qiáng)度性能有決定性影響，其中材料特性、注塑工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)直接決定了塑料制品的殘余應(yīng)力分布。本文對(duì)注塑殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了初步的分析，建立注塑工藝周期中冷卻階段的溫度場(chǎng)模型和殘余熱應(yīng)力計(jì)算的理論模型，并選擇某軸流風(fēng)葉進(jìn)行了注塑模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了該理論模型的合理性。

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余世浩，男，教授，研究方向：材料成型設(shè)備與控制。