某軸流風葉的注塑殘余應力計算與模擬*

顏士偉1，余世浩1,2，翟羽佳1

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

摘要：介紹了注塑殘余應力的形成機理和主要影響因素，建立注塑制件的二維溫度場和殘余應力計算模型，并進行了某軸流風葉的注塑殘余應力計算模擬，驗證了注塑殘余應力計算模型的合理性和準確性。

關鍵詞:軸流風葉殘余應力注塑模擬計算

中圖分類號：TM301文獻標識碼：A

基金項目：江蘇省技術創(chuàng)新基金，編號10C26213201037。

作者簡介：顏士偉(1981-)，男，研究生，研究方向：材料成型設備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晶，從而表現(xiàn)為注塑制品的力學各向異性和非均質(zhì)屬性，其中尤其以纖維增強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方向確定在模具型腔中的排布方向，在高剪切應力區(qū)存在纖維取向和流動方向一致的取向效應。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)歷了流動變形與松弛以及結晶取向等內(nèi)部結構變化[1,2]，若這些結構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)部存在殘余應力[3]。殘余應力會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)生其它結構缺陷導致產(chǎn)品功能失效。

1注塑殘余應力形成機理

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

2注塑制品的殘余應力計算模型

根據(jù)前面分析可知，塑料注塑是個短時間內(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)和其它溫度相關物性，因此塑料制品的溫度場模型必須能夠準確地描述注塑生產(chǎn)周期內(nèi)制品的溫度變化規(guī)律。其中殘余熱應力產(chǎn)生階段的溫度場模型包括模內(nèi)冷卻溫度場和脫模冷卻溫度場。

塑料制品多為薄壁件，二維平面溫度場模型表達式為[5,6,8]：

(1)

其中：[K]為溫度場單元熱傳導矩陣和邊界熱交換矩陣；

[C]為溫度場單元熱容矩陣；

{R}為溫度場節(jié)點熱流向量；

ξ為時間差分系數(shù)。

另考慮溫度場的相變潛熱，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)、熱應變等物性參數(shù)隨溫度場的溫度分布而發(fā)生相應變化，此類粘彈性材料的冷卻通過玻璃化溫度導致的殘余熱應力可采用熱流變性材料的積分熱粘彈性體本構方程進行計算，即：

(3)

(4)

其中：G1，G2為松弛系數(shù)；

si，j，ei，j為應力偏量和應變偏量；

s，e為體平均應力和體平均應變；

Tr，Tg為計算參考溫度、材料固液態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。

3注塑殘余應力模擬

某倉儲設備的通風換氣葉片采用注塑工藝生產(chǎn)，為了評估該葉片的生產(chǎn)工藝性和注塑殘余應力特性，基于注塑溫度場和殘余熱應力的理論分析，通過注塑仿真模擬來研究軸流風葉在壓力注塑過程中的融膠流動特點和注塑殘余熱應力。風葉材質(zhì)為30%比例玻璃纖維增強尼龍材料，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)塑料材料特性和風葉結構特點，采用三板模，點澆口方案，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，保壓時間10 s，冷卻時間20 s。

根據(jù)注塑模擬結果的數(shù)據(jù)分析，融膠充填時間約0.8513 s，融膠流動平穩(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，其融膠流動過程如圖4所示。

圖4　融膠充填流動過程截圖

根據(jù)風葉注塑殘余熱應力分布圖(圖5)可知，葉片根部殘余熱應力數(shù)值較小，但是殘余應力分布梯度明顯，這是由于葉片根部的結構壁厚差異過大導致融膠冷卻速度不均勻所引起的，但三個澆口位置和葉片尖部應力較大，其中以澆口位置的殘余熱應力為最大，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條中心放射狀加強筋導致局部材料冷卻延后而產(chǎn)生內(nèi)部殘余拉應力。

沿風葉結構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構內(nèi)部殘余熱應力分布，葉片為薄壁結構(寬度壁厚的最大比值=23.7)，由于材料冷卻時體積熱縮速度不均勻在葉片中央部位產(chǎn)生較大的殘余熱應力，最大值73 MPa。如圖7所示。

圖7　風葉結構內(nèi)部殘余熱應力分布圖

4總結

注塑殘余應力對注塑制品的成型質(zhì)量和強度性能有決定性影響，其中材料特性、注塑工藝參數(shù)和模具設計直接決定了塑料制品的殘余應力分布。本文對注塑殘余應力的產(chǎn)生機理進行了初步的分析，建立注塑工藝周期中冷卻階段的溫度場模型和殘余熱應力計算的理論模型，并選擇某軸流風葉進行了注塑模擬，進一步驗證了該理論模型的合理性。

參考文獻

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余世浩，男，教授，研究方向：材料成型設備與控制。